水凝胶具有和生物组织相似的机械性能、含水量高和离子通透性好等特性，在组织工程、医用敷料、生物传感等领域具有广泛的应用。水凝胶与导电材料复合后，可以实现电子导电，展现出优异的生物组织-电子器件界面特性，已经实现了多种检测、诊断和治疗功能。但和硅基电子器件相比，水凝胶电子器件因为缺少半导体水凝胶材料，尚无法实现丰富的集成电路功能，例如开关、整流、运算、放大等。传统的有机半导体材料难以实现水溶液加工，尚无法和传统水凝胶复合，且无法在水溶液中实现优异的半导体性能。

针对这些挑战，北京大学材料科学与工程雷霆研究员课题组提出半导体水凝胶设计策略，填补了传统水凝胶材料无法实现高性能电子电路的空白。他们通过将水溶性阳离子共轭高分子用抗离子交联或与其他水凝胶共混形成多网络结构，实现了兼具优异机械性能、半导体性能、界面性能和生物相容性的半导体水凝胶（图1）。他们基于半导体水凝胶首次实现了具有优异开关特性的半导体水凝胶器件和逻辑电路，并实现了生物电信号的原位高信噪比放大。相关工作以“N-type Semiconducting Hydrogel”为题发表在Science。

图1 半导体水凝胶的结构、掺杂机理与器件性能：A）半导体水凝胶兼具传统水凝胶和有机半导体的多种特点；B）高分子P(PyV)的抗离子交联机理和电化学掺杂机理；C-E）由半导体水凝胶构成的互补型逻辑电路及性能

P（PyV）高分子可以与多种传统水凝胶结合，构筑多网络水凝胶材料（图2A）。多网络半导体水凝胶展现出良好的机械可拉伸性和生物粘附性。多网络水凝胶表现出和单网络水凝胶可比拟的半导体性能，也可以实现开关、逻辑门和信号放大等多种电路功能。

这些半导体水凝胶具有良好的生物相容性，因此可以直接用作生物电子器件与生物组织的界面。由半导体水凝胶构成的反相器放大增益优于传统有机半导体逻辑器件，可实现小信号的放大，对于1-100 Hz交流小信号的输入，最高增益值可达79倍。基于半导体水凝胶互补型信号放大器，作者实现了多种电生理信号，包括眼电、心电、脑电和小鼠大脑皮层信号的高信噪比放大（图2B-D）。

图2 基于半导体水凝胶的生物电子应用：A）多网络水凝胶示意图；B）心电、眼电测试示意图及信号放大性能；C-D）小鼠原位脑电信号采集示意图及结果

本研究首次实现高电学性能的半导体水凝胶的制备和电子器件应用，其兼具有机半导体优异的电学特性以及水凝胶独特的机械和生物界面特性，扩展了有机半导体和水凝胶材料的应用范围。利用半导体水凝胶可以构筑丰富的逻辑电路。通过半导体水凝胶放大器的原位放大，使得微弱生物信号在引入噪声之前被放大，显著提高了信号的信噪比，为高效的生物信号采集提供了新的思路。

材料博士研究生李佩雲和孙文熙是该论文的共同第一作者，雷霆是通讯作者。合作者包括清华大学戴小川课题组、北京大学吕世贤课题组和国家纳米中心朱嘉课题组。该研究工作得到国家自然科学基金、北京市杰出青年基金、北京大学高性能计算平台、北京大学材料加工与测试中心、北京大学化学与分子工程分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台和上海光源等支持。