既能芯片式集成，又能读出人体分子，鲍哲南团队发布柔性电子成果

人体是芯片性电柔软的，而传统电子器件大多是式集坚硬的。

这一矛盾长期制约着柔性电子领域的成又出人成果发展。皮肤具有延展性，读南团肌肉伴随运动，体分脑组织和器官更是鲍哲布柔柔软且结构复杂；相比之下，传统芯片、芯片性电晶体管和传感器多建立在硅、式集金属氧化物等刚性材料之上。成又出人成果尽管这些硬材料性能卓越、读南团工艺成熟，体分却难以真正贴合人体生理环境。鲍哲布柔

过去几年，芯片性电赵传真博士围绕这一核心矛盾展开了一系列系统性研究。式集

本科期间，成又出人成果他在北京理工大学钟海政教授指导下，开展量子点相关研究，并将其应用于癌症细胞标记等生物医学领域；随后，他前往加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）攻读博士学位，专注于微纳器件制备及其在生物传感和可穿戴传感器中的应用；加入斯坦福大学鲍哲南团队后，他将此前积累的生物传感经验，进一步拓展至柔性、可拉伸电子体系。

在斯坦福期间，赵传真的研究聚焦于材料界面工程、器件物理稳定性以及微纳加工工艺三大维度，旨在推动柔性生物化学传感器在精准医疗与可穿戴健康监测中的实际应用落地。

近期，他主导的两项研究成果分别发表于《Science Advances》和《Device》。这两项工作看似方向迥异：一篇致力于解决软晶体管如何精准识别生物分子，另一篇则攻克可拉伸晶体管的高密度制造难题。然而，二者殊途同归，共同指向一个终极目标：让柔软电子既能感知人体分子，又能像传统芯片一样实现高密度集成。

赵传真将于明年年初赴多伦多大学担任终身轨助理教授（Tenured-Tracked Assistant Professor），其研究将继续深化当前主线，围绕生物界面、材料界面和信号界面三个维度，构建与人体在电化学分子层面深度交互的集成系统。

让可拉伸电子器件“读懂”人体分子语言

2022年，尚在UCLA读博期间的赵传真及团队研发出一种新型可穿戴生物传感器，首次实现了对人体汗液中皮质醇（Cortisol）的实时检测。

皮质醇被称为“压力激素”，与人体压力反应、昼夜节律及代谢状态密切相关。然而，由于其在汗液中浓度极低且汗液成分复杂，直接检测极具挑战。

当时，团队采用的策略是将DNA适配体与纳米晶体管相结合。当DNA适配体识别并结合皮质醇后，其构型发生改变，进而影响晶体管表面的电势。晶体管的作用在于将这种微弱的电势变化放大，转化为可读出的电信号。

该成果的重大意义在于：团队首次直接在汗液中测得皮质醇，并将便携式皮质醇传感器的检测灵敏度提升了两个数量级。然而，该代传感器主要基于纳米尺度的准二维氧化物半导体晶体管。虽然其性能优异、信号放大能力强，但从材料形态来看，仍属于“硬”材料。

“我们之前使用的是硅基或金属氧化物半导体，虽然性能出色，但本质上仍然偏硬。”赵传真指出，“若贴附于皮肤，人体运动产生的干扰会影响测量精度；若植入体内，则可能引发免疫反应。”

因此，核心问题从“能否检测到”转变为“能否戴得住、贴得稳且长期工作”。这正是《Science Advances》这篇论文旨在解决的关键问题：团队将DNA适配体接入一种柔软、可拉伸的聚合物半导体体系，赋予柔性可拉伸晶体管生物传感器识别皮质醇的能力。

图 | 贴合于指尖的生物传感器（来源：Science Advances）

在传统金属氧化物半导体体系中，材料表面易于修饰，可通过成熟的表面化学方法接枝适配体、抗体等生物识别元件。然而，聚合物半导体依靠共轭骨架传输电荷，若强行引入羟基、羧基等官能团以接枝生物分子，可能会形成电荷陷阱，严重损害载流子迁移率。

另一种常见方法是物理吸附（如通过π-π堆积等非共价作用将识别分子置于半导体表面）。但这种方式结合力弱，在汗液、体液或长期工作环境中，分子易脱落，导致信号不稳定。

鲍哲南团队提出了一种巧妙的解决方案：不直接修饰负责导电的半导体，而是在旁边的弹性体上安装识别分子。

团队构建了一种聚合物半导体与弹性体共混的网络结构。其中，半导体负责电荷传输，弹性体提供柔软性和可拉伸性。两者在纳米尺度上相互交织，距离极近。

在此体系中，团队利用巯基-烯点击化学反应，将带有巯基的DNA适配体共价接枝到弹性体部分，而非共轭半导体骨架上。这一设计确保了导电通道不被破坏；同时，由于弹性体与半导体间距极近，适配体识别皮质醇后产生的局部电势变化，仍能有效调制半导体中的电荷传输，并被晶体管读取。

赵传真将这一设计称为“解耦”（Decoupling）。“我们的核心思路是将生物功能化与电荷传输分离。”他解释道，“适配体固定在弹性体上，半导体本身保持不动，但两者在纳米尺度上紧密相邻，因此适配体产生的电势变化仍能显著影响半导体的电学性质。”

该设计的优势显而易见：
1. 保留电学性能：半导体的导电骨架未被破坏，电学性能得以最大程度保留；
2. 增强稳定性：适配体通过共价键固定，相比物理吸附更加稳固；
3. 赋予力学柔性：弹性体赋予器件可拉伸性，使其力学特性更接近皮肤或软组织。

“这可谓一箭三雕。”赵传真评价道，“既具备生物选择性，又保持了优异的电学性能，同时还赋予了可拉伸的力学特性。”

数据显示，这种设计带来了显著成果：
* 适配体修饰后的传感器仍保持了良好的电学性能；
* 实现了皮摩尔（pM）级别的皮质醇检测限；
* 稳定性大幅提升：论文显示，该类传感器在液体环境中可维持约50天的工作能力，并能在50%拉伸应变下稳定运行。

然而，赵传真强调，在缓冲液中稳定工作并不等同于解决了在人体内长期使用的全部问题。“人体环境远比缓冲液复杂，存在蛋白吸附、酶攻击及细胞反应。若敏感界面被堵塞，目标分子无法扩散进入，传感器将失效。”

这意味着，柔性可拉伸晶体管传感器真正进入人体临床应用，仍需攻克生物污染、界面保护和长期信号漂移等难题。

该论文的共同第一作者Qianhe Liu是斯坦福大学化工系博士生，也是该工作的主要贡献者。

让柔性器件像传统芯片一样量产集成

如果说《Science Advances》解决了可拉伸晶体管如何识别生物分子，那么发表于《Device》的另一项研究，则解决了可拉伸晶体管如何被高密度制造的问题。

这是柔性电子走向实用化的另一大关键瓶颈。

以往许多可拉伸电子器件更像实验室中的手工样品。研究人员虽能制备出性能优异的单个晶体管或小规模阵列，但要像传统芯片那样实现高密度、可重复、可集成的制造，却困难重重。原因在于，有机聚合物材料与标准芯片工艺天然不兼容。

硅基芯片可耐受多种溶剂、高温及等离子体刻蚀，适合在洁净间内层层加工。而聚合物半导体往往对溶剂、等离子体和强刻蚀敏感。上一层工艺完成后，下一步使用的溶剂可能导致半导体薄膜溶胀、损伤甚至溶解。

因此，许多柔性器件过去依赖手工掩模（Mask）技术，即使用带孔的金属模板覆盖材料，通过遮挡形成图案。这种方法虽温和，但精度有限（通常仅达100微米量级），且需人工对准，难以满足高密度集成需求。

“我们之前的工艺多依赖手动对准。”赵传真表示，“若要将器件特征尺寸缩小至10微米甚至2微米，必须开发一套与全柔性体系兼容的新工艺。”

为此，团队摒弃了手工掩膜，转而将可拉伸晶体管的制备流程引入洁净间标准工艺。

具体策略包括：
1. 使用可交联聚合物半导体：通过交联反应，使原本易被溶剂破坏的半导体薄膜形成更稳定的网络结构，从而耐受后续光刻过程中的有机溶剂。
2. 保护层图形化转移：团队未在半导体表面直接刻蚀图案，而是先在半导体上方制备一层保护层，对保护层进行图形化后，再将图案转移至下方半导体。此举既利用了光刻工艺的高精度，又减少了对半导体性能的损伤。

通过这套单片制造平台，团队将可拉伸晶体管的特征尺寸从约100微米推进至约2微米，精度提升约50倍。同时，实现了每平方厘米约55,000个可拉伸晶体管的集成密度。

（来源：Device）

这意味着在同等面积下，可容纳更多晶体管，为软电子系统实现更复杂的功能（而非单一信号测量）奠定基础。

更重要的是，该工艺具有广泛的材料兼容性，可同时兼容p型和n型聚合物半导体，从而实现互补电路的集成。

在传统芯片中，p型和n型晶体管的组合是CMOS电路的基础。对可拉伸电子而言，能同时集成这两类晶体管，标志着其不再仅仅是简单的传感阵列，而是能够构建更复杂、低功耗、高增益的逻辑电路。

该论文的第一作者袁雨嘉现为斯坦福大学电子工程系博士生，正致力于将柔性电路应用拓展至机器人触觉和可穿戴设备领域。

下一代可穿戴：从物理信号到化学信号的跨越

事实上，在上述两项工作之前，赵传真于2025年发表了一项重要成果，重点解决柔性生物传感器中的信号漂移问题。

柔性有机晶体管虽适合贴近皮肤，但也更易受弯曲、拉伸、湿度及温度变化影响。对于生物传感器而言，这些干扰可能导致信号漂移，甚至掩盖真实的分子响应。

在发表于《Nature Electronics》的研究中，赵传真及合作者提出了一种基于“二极管连接有机场效应晶体管”的皮肤式生物传感器。其核心原理是利用一个工作传感器和一个参考传感器同时测量，通过差分相减抵消温度、拉伸、电压漂移等环境干扰。该设计实现了如皮肤般柔软、可拉伸且长时间监测不漂移的生物传感器，并成功在人体汗液中实时追踪了皮质醇的变化。

（来源：Nature Electronics）

这项工作进一步明确了赵传真的研究方向：柔性电子的核心挑战不仅是将器件做软，也不仅是检测单一分子，而是要在复杂、动态的人体环境中，长期稳定地读取生化信号。

“目前大多数可穿戴设备仅测量温度、压力、应变等物理信号。”赵传真表示，“我更关注的是化学分子层面的交互。”

这种交互旨在获取更深层的人体信息：
* 皮质醇：反映应激状态；
* 褪黑素：关联昼夜节律；
* 多巴胺、血清素等神经递质：与情绪、动机、奖赏机制及神经精神疾病密切相关。

若能长期、稳定、连续地监测这些分子变化，未来将为慢性疾病管理、心理健康评估及药物疗效监测提供全新工具。

然而，从论文到临床应用仍面临三大挑战：

1. 生物污染：传感器进入真实人体环境后，面临蛋白吸附、细胞沉积及酶降解等问题。若敏感界面被覆盖，目标分子无法进入，传感器将失效。
2. 信号漂移：有机柔性器件本身存在漂移，拉伸和形变也会改变器件参数。对于微弱分子信号，漂移严重影响读数准确性。因此，需在器件端进行差分、放大和校正。
3. 力学匹配：尽管柔性聚合物比硅基或金属氧化物材料更软，但与脑组织等真实软组织相比仍有差距。材料越软，植入和封装带来的工程挑战越大。

这也是赵传真未来独立建组后将继续推进的方向。他计划围绕三个界面展开深入研究：
* 生物识别界面：提升适配体等分子探针的长期稳定性和可再生能力；
* 材料界面：开发更低模量、更高生物相容性的柔性半导体材料；
* 信号界面：利用高密度电路集成能力，探索原位信号处理、原位放大，甚至基于电化学信号的类脑计算。

参考文献：

1. 赵传真个人主页: https://www.czzhao.com/
2. Zhao, C., Park, J., Maulà, D. et al. Skin-like drift-free biosensors with stretchable diode-connected organic field-effect transistors. Nat Electron8, 981–993 (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01465-4
3. Yuan et al., A monolithic fabrication platform for intrinsically stretchable polymer transistors and complementary circuits, Device(2026), https://doi.org/10.1016/j.device.2026.101204
4. Zhao, Chen, et al. Biofunctionalized Polymer Semiconductors Toward Soft and Stretchable Transistor-Based Biosensors. Science Advances(2026), https://doi.org/10.1126/sciadv.aec2641.

运营/排版：何晨龙

本文地址：https://www.dr-wine.com/html/284f14099575.html