近日，北京大学材料科学与工程学院雷霆–张志团队，在柔性纤维生物电子领域取得新进展。研究团队设计出一种新型双极型材料P(gTDPP-TQ)，并结合湿法纺丝工艺，开发出高性能单组份双极型纤维，并构筑纤维放大器，实现了微弱脑电信号高保真放大和皮质醇高灵敏度传感。
2026年11月5日，相关研究成果以“Ambipolar Fiber Amplifiers for Highly Sensitive Biosignal Detection”为题发表于期刊《Advanced Materials》。
生物信号是反映人体生理状态的基本信息载体，然而许多生物信号，如微伏级电生理活动和低浓度生化分析物，本身极为微弱且极易受到噪声干扰。有机电化学晶体管（OECT）具有高跨导、低工作电压及良好的生物界面适配性，在柔性生物电子领域展现出重要应用潜力。传统OECT互补电路通常需要集成不同的p型和n型半导体材料，制备过程复杂，尤其难以实现纤维化集成。双极型材料能在单一材料中同时实现空穴和电子传输，为简化电路结构提供了新途径。然而，如何兼顾平衡的双极性电荷传输、高性能电学放大及连续纤维加工，仍是制约高性能纤维生物电子发展的关键挑战。
针对上述挑战，研究团队设计并合成了一种新型双极型材料P(gTDPP-TQ)。选用结构简单、成本较低且骨架高度平面的TDPP作为缺电子构筑单元，并引入具有强醌式特性及高空穴/电子迁移率的TQ单元，通过协同调控聚合物电子结构与掺杂态稳定性，实现了平衡的p型和n型电荷传输。同时，该材料具有相对简单低成本的合成路线和良好的纤维加工适应性。其分子结构能够兼顾良好的溶液可加工性与适宜的分子链间相互作用，为纺丝过程中高分子链的聚集组装和连续成纤提供有利条件。在此基础上，研究团队成功构建了首个单组分双极型纤维放大器平台，为高性能纤维生物电子的发展提供了新途径（图1）。
图1 本研究中高性能纤维放大器的设计理念
P(gTDPP-TQ)展现出优异且平衡的p型和n型电荷传输特性，其品质因子μC*分别达到50和51 F cm?1 V?1 s?1，并展现出快速响应能力。基于该材料构筑的单组分反相器在0.8 V工作电压下实现了高达907 V/V的电压增益。进一步的结构表征表明，该材料在电解质环境中形成更加紧密、有序的分子堆积，并在氧化还原过程中保持良好的结构稳定性，为高性能双极性电荷传输与信号放大提供了支撑（图2）。
图2 基于P(gTDPP-TQ)的OECT及放大器器件性能
在此基础上，研究团队利用前期发展的FLEX纺丝工艺（Sci. Adv. 2024, 10, eadk0647），成功实现P(gTDPP-TQ)双极型纤维的连续制备。与传统薄膜加工不同，纤维纺丝过程中的定向流场和受限组装有利于调控共轭高分子链的排列与聚集态结构。结构表征显示，纤维加工显著增强了分子链取向，降低了结构无序度，并促进更紧凑的分子堆积，从而为高效电荷传输创造了有利条件。基于该纤维的F-OECT其p型和n型的μC*值分别达到了136 ± 18 F cm?1 V?1 s?1和141 ± 15 F cm?1 V?1 s?1，超越薄膜约3倍，归一化跨导gm,norm也得到显著提升（p: 33.1 ± 4.7 S cm?1；n: 46.1 ± 5.4 S cm?1）。基于所制备的双极性半导体纤维，研究团队进一步构建了单组分纤维OECT反相器与信号放大电路，展现出150 V V?1的高电压增益（VDD = 0.8 V）（图3）。
为验证纤维放大器的生物信号监测能力，研究团队开展了电生理信号放大与生化分子检测研究。在模拟脑电监测中，纤维放大器将脑电信号放大21.5倍，并保持良好的波形保真度。在生化检测方面，通过在纤维沟道表面修饰皮质醇特异性适配体，将分子识别引起的界面变化转化为反相器的电压响应，实现了检测限低至3.7 fM的皮质醇超灵敏检测。该研究展示了单组分双极性纤维电路在电生理与生化信号检测中的应用潜力，为柔性多模态生物传感提供了新途径。
图3. 本研究中纤维放大器的性能及其生物信号监测应用
北京大学材料科学与工程学院博士后张欣、科研助理方思琪（现为华南理工大学博士研究生）和博士研究生潘熙然为论文共同第一作者，北京大学梁思敏博士后、雷霆教授和张志副研究员为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.75671
