《npj Biosensing》：Organic mixed ionic-electronic conductor device platforms for emerging biosensor application
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针对有机电化学晶体管（OECT）在复杂生物环境中易受生物污染和信号不稳定的难题，研究人员聚焦于混合离子-电子导体（OMIEC）的分子结构设计。通过引入离子型、两性离子型功能基团，开发出兼具高导电性和抗污性的新型材料，显著提升了生物传感器的特异性、灵敏度与长期稳定性，为实现下一代即时、连续的健康监测设备奠定了关键材料基础。
想象一下，未来我们只需佩戴一个薄如蝉翼的贴片，就能实时监测体内的血糖、压力激素甚至早期疾病标志物，为个性化医疗提供精准数据。这并非遥不可及的科幻场景，其核心技术之一便是一种名为有机混合离子-电子导体（Organic Mixed Ionic-Electronic Conductor， OMIEC）的革命性材料。这类聚合物能够同时传导电子和离子，如同在生物世界（离子信号）和电子世界（电信号）之间架起了一座天然的桥梁。由其构建的有机电化学晶体管（Organic Electrochemical Transistor， OECT）生物传感器，因其高灵敏度、良好的生物相容性、低工作电压和柔性可穿戴特性，被视为下一代即时检测（Point-of-Care， POC）和连续健康监测设备的理想平台。
然而，通往这一未来的道路上横亘着两大“拦路虎”。其一便是生物污染——当传感器暴露于血液、血清等复杂生物液体时，蛋白质等生物分子会迅速且非特异性地吸附在器件表面。对于依赖离子穿透整个通道体积来工作的OECT而言，这种污染尤为致命，会导致严重的信号漂移、灵敏度下降和响应迟缓。其二是长期运行稳定性问题，涉及材料在生理环境下的电化学降解、器件与柔软组织之间的机械失配引发的异物反应，以及生物识别元件（如酶、抗体）的失活。这些挑战相互交织，严重阻碍了OMIEC生物传感器从实验室走向临床应用的步伐。因此，如何从分子层面理性设计材料，从根本上调控复杂的生物-非生物界面，成为该领域亟待攻克的核心科学问题。
发表于《npj Biosensing》的这篇前瞻性论文，正是围绕这一核心问题展开。文章系统探讨了OMIEC生物传感器面临的关键挑战，并重点追溯了为解决这些相互关联问题而发展的材料设计策略。研究强调，未来的突破关键在于发展兼具本征抗污功能和高性能的OMIEC材料，并通过多尺度计算与机器学习辅助的材料发现，协同优化器件架构与系统集成，最终推动稳定可靠的生物传感技术实现临床转化。
为开展此项研究，作者团队主要基于对现有文献的全面综述与深入分析，系统梳理了OMIEC材料科学的最新进展。研究涵盖了从分子设计（如侧链工程、主链修饰）、材料合成（如引入羧基、磷酸胆碱等官能团）、到器件构筑（如平面OECT、垂直OECT、电位型OECT架构）的全链条技术路径。分析中涉及在复杂生物基质（如未稀释血清、汗液）中进行的性能验证，以及针对材料稳定性（如耐灭菌性、抗溶胀性）和生物相容性的评估。
研究结果
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生物界面相容性的机遇与挑战：该部分指出OMIEC固有的低杨氏模量（Young’s Modulus）使其能够与柔软的生物组织形成共形接触，减少机械创伤引发的异物反应。通过构建水凝胶-半导体复合材料，可进一步实现超柔软、可拉伸的类组织界面。然而，OECT的体积式工作机制使其极易受生物污染影响。文章将解决方案的演进归纳为三个层级：简单的表面钝化、高级聚合物涂层，以及最具前景的本征抗污OMIEC。后者通过在聚合物单体上共价连接抗污基团（如离子型、两性离子型基团），创造出同时具备导电性和生物惰性的单一材料。例如，磷酸胆碱功能化的聚（3，4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT-PC）在未稀释血清中表现出优异的抗污性和增强的OECT性能。羧基功能化的聚噻吩则通过静电排斥机制抗污，并具备pH响应性的“可切换”功能，为针对病理微环境（如肿瘤的酸性环境）的智能传感提供了可能。
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OMIEC基器件的特异性、选择性与灵敏度机遇与挑战：OMIEC平台的高跨导（transconductance, gm）为检测微弱生物信号提供了内置放大能力。实现高特异性的关键在于在栅电极上构建选择性识别界面。常用策略包括使用酶、抗体、适配体等生物识别元件，以及离子选择性膜、分子印迹聚合物等合成识别层。在器件架构方面，垂直OECT通过将沟道长度缩短至纳米级，实现了极高的跨导和电流密度，大幅提升了灵敏度。电位型OECT通过将栅极分离为“传感栅”和“门控栅”，确保了传感电极处于开路电位，从而实现了对电位信号的准确、稳定放大。文章通过性能指标表格展示了OECT生物传感器对葡萄糖、乳酸、皮质醇、TGF-β1等多种生物标志物在生理相关介质中达到的皮摩尔至纳摩尔级别的检测限。
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OMIEC基器件长期运行稳定性的探索：长期稳定性挑战涉及材料降解、电解质设计、生物识别元件失活以及灭菌耐受性等多个层面。例如，一些乙二醇化聚噻吩在操作中过度溶胀可能导致材料快速降解。固体凝胶电解质（如水凝胶）需解决机械降解、脱水和与OMIEC通道分层的问题。生物识别元件易受蛋白酶、核酸酶降解，而有效的抗污涂层可同时保护其免受酶攻击。文章指出，标准灭菌方法（如高压蒸汽、伽马射线、环氧乙烷）可能对敏感的OMIEC材料造成损害，因此选择耐受特定灭菌工艺的材料至关重要。器件层面的稳定性则需要可靠的封装来抵御生理环境的腐蚀，并采用如参考传感器等片上解决方案来对抗信号漂移。有趣的是，与追求长期稳定并行的另一研究方向是开发可生物降解的OMIEC，用于“瞬态电子”，在完成短期监测或治疗后安全降解，避免二次取出手术并减少电子废物。
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展望：将OMIEC基生物传感器转化为实践的路线图：文章提出了一个多学科协同的转化路线图，涵盖四大挑战：1）OMIEC的基础与材料创新：亟需结合实验、计算和数据科学方法，发展对离子-电子耦合机制的多尺度理解与建模。应超越传统的乙二醇化侧链，探索更多样化的离子型和两性离子型官能团。同时，高性能且稳定的n型（电子传导）和双极型OMIEC的开发，对于构建低功耗互补逻辑电路和复杂生物电子系统至关重要。2）面向生物传感的器件优化：未来方向是面向低成本、高密度、多路复用的传感器阵列。需要在一个多目标框架内共同优化高跨导、持久稳定性和本征抗污性。利用机器学习和自主实验室可以加速在这一复杂设计空间中的探索。3）系统级集成与片上智能：目标是创建集传感、数据处理和治疗功能于一体的自主系统。这需要本地边缘计算、基于OECT神经形态特性的片上机器学习算法，以及能够控制治疗剂释放的集成执行器。4）应对可扩展性与监管路径：必须从研发早期就考虑可重复、大规模制造的现实挑战，并主动了解医疗器械分类（如美国FDA的I、II、III类）及相应的监管审批路径（如510(k)或上市前批准）。
研究结论与意义：本综述系统论证了OMIEC生物传感器在迈向临床转化过程中面临的核心瓶颈——生物污染、特异性与长期稳定性，并指出这些挑战根植于材料本身的结构-性能关系。研究强调，突破这些瓶颈不能仅靠工程优化，必须回归材料科学的本质，致力于在分子水平上进行理性设计。发展本征抗污的OMIEC、高性能n型与双极型材料、可生物降解的瞬态材料，以及利用多尺度计算和人工智能辅助的材料发现，是未来的关键方向。同时，器件架构的创新（如vOECT、POECT）、系统级的智能集成，以及对制造 scalability 和监管路径的提前布局，共同构成了将实验室成果转化为可靠、实用医疗设备的完整路线图。这项研究为领域内的科研人员指明了跨学科协作的重点，强调了从基础理解到应用落地的全链条创新，对于加速下一代柔性、可穿戴/植入式生物传感技术的开发，最终实现实时、连续、个性化的健康监测与疾病管理具有重要的指导意义。
