北京大学雷霆团队在弹性生物信号放大器领域取得重要突破

　　

生物组织在心跳、呼吸和日常运动过程中持续发生复杂形变，而体内电生理信号又通常十分微弱，易受各种噪声干扰。在动态生理环境中，组织—器件界面的机械扰动、信号传输及后端采集过程中的系统噪声，均可能降低信号记录的质量与可靠性。如何在柔软、湿润且动态变形的体内环境中稳定获取高质量信号，是植入式生物电子器件面临的重要挑战。

针对这一问题，北京大学材料科学与工程学院的雷霆教授团队提出了一种“材料—界面—电路”协同设计的新策略，成功开发出一种应变不敏感的弹性有机电化学晶体管（OECT）放大器。该器件能够贴合动态生物组织，并在运动的组织界面对微弱电生理信号进行原位放大，从而提升信号记录质量（图1），展示了弹性OECT放大器在体内高保真信号采集中的应用潜力。

图1 应变不敏感性生物信号放大器的设计

本研究发展了一种高性能、可拉伸、稳定的新型n型OECT材料—P(bgTDPP-TVT-CN2)。该材料在高应变下仍能保持较稳定的电学性能，为构建弹性互补OECT电路提供了关键材料基础（图2a—b）。进一步地，研究团队通过苄基硫醇自组装单分子层增强聚合物半导体与金电极之间的界面结合，提高器件在湿润和反复拉伸条件下的稳定性。

在电路层面，研究团队将高拉伸性n型与p型OECT材料配合，构建了弹性互补型OECT逻辑电路，将其用于生物信号放大器。与单个晶体管或负载二极管型电路相比，互补电路能够利用n型和p型器件在形变过程中的协同响应相互补偿，有效降低机械形变导致的信号漂移和性能衰减（图2c—d）。这一“材料—界面—电路”协同策略，使弹性放大器能够在动态组织环境中保持稳定工作。

图2 P(bgTDPP-TVT-CN2)及其构筑的互补型逻辑电路的应变不敏感性表征

性能测试结果显示，该弹性OECT放大器能够在低于1.0V的工作电压下实现高增益放大，最高电压增益约为140V/V，并在不同拉伸应变下保持较稳定的增益和开关阈值，综合性能为同类器件中最高水平（图3a—c）。此外，器件在血浆中浸泡14天、在PBS溶液中浸泡24天后仍可保持功能，表明其具备良好的长期生理环境运行稳定性。

面向植入式应用需求，研究团队进一步开展了系统性的生物相容性和体内性能验证。细胞实验表明，P(bgTDPP-TVT-CN2)具有较低细胞毒性；组织学结果显示，与传统PI基柔性器件相比，弹性器件在植入后表现出更低的免疫反应。器件在大鼠体内植入7天后仍能保持放大功能，展现出良好的生物适应性和长期植入潜力。

在大鼠心外膜信号记录实验中，该弹性放大器能够稳定贴附于湿润且剧烈运动的心脏组织表面，并实现心电信号的原位放大与高质量采集（图3d—e）。与被动电极相比，弹性放大器显著提高了信号质量，信噪比达到25.12±3.20dB，明显高于被动电极的11.08±2.62dB。此外，研究还在兔心外膜电信号记录中实现了超过10倍的信号放大，进一步验证了该弹性OECT放大器在多种体内电生理场景中的应用潜力。

图3 基于互补型OECT器件的弹性生物信号放大器性能及生物体内应用

本研究通过高拉伸n型OECT材料、界面调控和互补电路补偿策略，突破了弹性生物电子器件在湿润、动态体内环境中同时实现机械稳定、信号放大和高信噪比记录的难题，为下一代植入式电生理监测器件、柔性生物电子界面和长期体内健康监测系统提供了新的技术路径。

孙文熙博士（现为大连理工大学助理教授）为该论文的第一作者，雷霆与张志副研究员为通讯作者。合作者包括北京大学人民医院的夏威威医生、北京大学第三医院的原婉琼副研究员与欧阳汉强医生、中国科技大学的朱晨昕教授等。该研究工作得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京大学第三医院创新转化基金，北京大学材料加工与测试中心，北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台等的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s44460-026-00091-7