当电活性聚合物“长”进人体 电子活性聚合物为人体与机器之间提供了天然界面； 对分子层面的精确控制，使材料具备在体外和体内应用所需的多方面性质。下一次飞跃可能来自与先天生物过程整合的材料，并辅以对其下游效应更深入的理解。 如今，电子活性聚合物领域主要由生物电子学应用主导，尤其是可穿戴设备、传感器和植入式设备。该领域的快速增长得益于高性能器件（如有机光伏和有机发光二极管）数十年研究所得的合成方法学、基础形貌设计原则以及电子优化见解。 从原子种类到拓扑结构和分子量，若干设计参数可用于调控与动态、柔软且活的人体接口所必需的关键力学、化学和电子性质。 例如，π共轭聚合物可同时具有离子传导和电子传导，从而在主要基于离子的人体与基于电子的机器之间架起桥梁。此外， 合理选择侧链和主链可降低弹性模量，使其更接近生物组织，从而减轻炎症性免疫反应，并改善生物相容性和长期性能。 尽管设计参数对π共轭聚合物的影响已被广泛研究， 其他类别（如金属聚合物和开壳层聚合物）仍值得进一步研究。 除电子活性聚合物本身的设计外， 应用从体外日益转向体内，也带来新的重大挑战和机遇，包括利用先天生物过程以及尽量减少不良毒性。应对这些挑战将需要跨学科专业知识和长期研究努力。 实现同时具备的功能性质 十年前，我加入鲍哲南团队做博士后，准备把我在电气工程方面的本科研究经历与研究生阶段的聚合物化学训练衔接起来。本科时，我被表皮电子学领域吸引，想推动该领域发展，但希望通过自下而上的化学方法来实现。我记得最初几个月一直在了解实验室正在进行的项目，理解基础化学如何支撑无缝可穿戴设备所需电子活性材料的物理性质。从介电体、半导体到导体，不同组分需要不同考虑，以在保持电子活性组分性能的同时赋予可拉伸性、耐久性和自修复等性质。随着供体-受体结构基元成为降低带隙、提高半导体聚合物载流性能的一种策略，我把重点缩小到π共轭聚合物，部分原因也是半导体在计算机逻辑中具有重要作用。 我被同时实现设计需求看似对立的功能性质这一想法吸引。一个经典难题是在π共轭聚合物中兼顾高电子性能与可拉伸性。 长程结晶性曾被视为高迁移率的原则，但为了赋予可拉伸性，往往需要破坏它。引入共轭打断单元、氢键基元、增塑剂或非晶侧链，可实现高达100%的高应变，尽管会牺牲电荷传输。当时， 两个体系挑战了这一原则，证明小尺度畴内的高结晶度已足够。 一个利用纳米限域，将共轭聚合物限制在弹性体内，显著延迟裂纹萌生，而对电荷传输影响可忽略。另一个基于茚并二噻吩-共-苯并噻二唑，其具有小而连接的结晶畴，可实现高场效应晶体管迁移率。 可以看出，稍加巧思，聚合物化学家、物理学家和工程师就能解锁新现象，实现同时具备的功能性质。 那是一个令人兴奋的时期，因为实现类似物理性质有许多方法，各有优缺点。对我来说， 这证明实现相同性质的设计空间具有相当大的灵活性。 事实上，为什么止步于两种同时具备的功能性质？ 通过将纳米限域与酸不稳定共轭亚胺键结合，我着手在同一聚合物体系中同时赋予半导体性、可拉伸性和可降解性。 这项博士后工作明确了我对可降解半导体聚合物的兴趣，并引出关于降解副产物、机理和动力学的问题。当我建立自己的研究组时，我聚焦于用于可降解π共轭聚甲亚胺的类胡萝卜素基构建单元，后续研究探索了不同主链或侧链如何影响可降解性。 迈向无缝生物整合、学科融合与对生物过程的借用 生物电子学的一个前沿长期是开发能够长期运行且炎症反应最小的植入式设备，理想情况下在目标界面具有位点特异性精度。 植入物包括生物执行器、生物传感器和神经假体，其中电刺激可促进对细胞活动的所需调控。电子活性聚合物，尤其是PEDOT:PSS（聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐），由于其离子-电子混合传导和柔软力学性质，长期被用作短期植入物的界面材料。许多研究致力于确保这些材料能够承受动态应变，并提供模量上的力学匹配，以尽量减少异物反应；异物反应可能隔离植入式设备并使其无法工作。最近， 在π共轭聚合物中用抗氧化硒吩替换硫，并结合使用免疫调节基团（三唑-四氢吡喃和三唑-硫代吗啉-1,1-二氧化物）进行侧链官能化，已被证明可将异物反应抑制约68%，说明化学设计的强大影响，以及将免疫学等邻近领域的知识纳入聚合物设计的价值。 尽管独自工作的材料化学家可能过度关注开发具有同时具备性质之一的电子活性聚合物， 但重要的是考虑材料如何与电子器件整合，以及如何与人体内复杂环境相互作用。 例如，材料即使具有力学顺应性和高导电性， 同样重要的是它可被加工成功能器件，并在力学失配界面之间保持稳固的层间连接。 鉴于器件与细胞之间的长度尺度差异，确保仅目标细胞被刺激或记录甚至更难。 这方面的一项关键进展是利用基因工程指示特定神经元亚群表达酶APEX2，该酶催化单体在活体动物中氧化聚合成电子活性p型聚苯胺或聚(3,3′
