客戶成果丨東華大學(xué)/上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院《Advanced Materials》：離子可滲透電極賦能納米纖維織物垂直有機電化學(xué)晶體管

隨著可穿戴健康監(jiān)測與柔性電子的發(fā)展，迫切需要在低電壓、低功耗且可長期貼膚的平臺上，實現(xiàn)對微弱電生理信號的穩(wěn)定采集與高保真放大。然而，傳統(tǒng)金屬電極與剛性放大電路在透氣性、機械適配性及抗運動干擾方面存在局限，難以滿足連續(xù)可穿戴電生理監(jiān)測的實際需求。對此，東華大學(xué)聯(lián)合上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究團隊提出構(gòu)筑納米纖維垂直有機電化學(xué)晶體管平臺（NF-vOECT）。2026年1月7日，相關(guān)研究以“Conformal Vertical Organic Electrochemical Transistors With Ion‐Permeable Electrodes for Electrophysiological Monitoring”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》上。

以下為該工作的具體研究內(nèi)容：

織物基 OECT 性能權(quán)衡約束下的垂直器件架構(gòu)設(shè)計

在器件設(shè)計上，研究團隊采用全靜電紡策略構(gòu)建了一種無需光刻的垂直有機電化學(xué)晶體管架構(gòu)，實現(xiàn)了與柔性基底高度貼合、同時具備良好可擴展性的織物化器件平臺。該器件由納米纖維電極基底與垂直堆疊的半導(dǎo)體納米纖維通道組成，器件的水蒸氣透過率可達3.99 kg·m?2·d?1，在結(jié)構(gòu)層面同時滿足了織物電子對透氣性、柔性與結(jié)構(gòu)連續(xù)性的要求。

圖 1.（A）NF-vOECT 的器件結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路模型，并給出了 PAN/PVP 納米纖維基底在金沉積前（I）與沉積后（II）的掃描電鏡圖像，以及 PEDOT:PSS/PAAm半導(dǎo)體納米纖維通道的形貌（III）（比例尺：2 μm）；（B）垂直器件結(jié)構(gòu)的截面示意圖；（C）不同覆蓋條件下的水蒸發(fā)透過率；（D）PAN/PVP 納米纖維膜在金沉積前后孔隙率的變化情況；（E）PEDOT:PSS 與 PAAm 的分子結(jié)構(gòu)示意；（F）NF-vOECT 的峰值跨導(dǎo)與響應(yīng)時間與已報道的纖維/織物基及剛性光滑基底 OECT 器件進行對比。

納米纖維織物垂直 OECT 的高性能特性

得益于垂直幾何與可滲透電極帶來的高效門控，器件在低電壓下同時實現(xiàn) 57.5 mS 的峰值跨導(dǎo)與 11.7 ms 的毫秒級響應(yīng)，突破了傳統(tǒng)織物基 OECT 往往“增益高則響應(yīng)慢、響應(yīng)快則增益低”的性能取舍?；谠撈骷?gòu)建的基本邏輯單元可實現(xiàn)穩(wěn)定的邏輯功能，表明其不僅適用于信號放大，也具備向功能電路與系統(tǒng)集成拓展的潛力。同時，器件在長期循環(huán)與10000次反復(fù)形變條件下仍能保持穩(wěn)定工作，體現(xiàn)出面向可穿戴電生理監(jiān)測的可靠性。

圖2. （A）NF-vOECT 的輸出特性曲線及（B）轉(zhuǎn)移特性曲線（W = d = 500 µm，t = 3 min）；（C）器件的瞬態(tài)響應(yīng)特性；（D）不同電解質(zhì)條件下 NF-vOECT 的響應(yīng)時間對比；（E）在連續(xù) 1000 次柵極脈沖作用下的器件穩(wěn)定性測試；（F）不同彎曲半徑條件下開啟電流與峰值跨導(dǎo)的變化情況；（G）在 0.5 cm 彎曲半徑下經(jīng)歷 10 000 次彎折循環(huán)后，NF-vOECT 的轉(zhuǎn)移特性及跨導(dǎo)表現(xiàn)；（H）基于 NF-vOECT 構(gòu)建的邏輯門電路示例，包括 AND 與 OR 邏輯運算。

器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對 NF-vOECT 動態(tài)性能的調(diào)控機制

圍繞通道纖維網(wǎng)絡(luò)與電極重疊區(qū)域等關(guān)鍵參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)控表明，器件動態(tài)響應(yīng)的核心在于離子注入路徑與有效調(diào)制體積的匹配。離子可滲透電極的引入在其中起到了關(guān)鍵作用，使電解質(zhì)離子能夠通過多路徑參與垂直調(diào)制，從而在不同結(jié)構(gòu)條件下仍保持高效、穩(wěn)定的開關(guān)響應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)機理層面闡明了 NF-vOECT 實現(xiàn)高跨導(dǎo)與快速響應(yīng)協(xié)同優(yōu)化的內(nèi)在原因。

圖3. （A）不同靜電紡時間條件下 NF-vOECT 的峰值跨導(dǎo)變化及（B）對應(yīng)的開啟響應(yīng)時間；（C）電極寬度對響應(yīng)時間與峰值跨導(dǎo)的影響關(guān)系，插圖示意了器件寬度由 0.2 mm 逐步增加至 1.0 mm 的過程；（D）NF-vOECT 器件中離子傳輸路徑的示意圖，用于說明垂直離子調(diào)制機制；（E）納米纖維電極膜的動態(tài)接觸角測試結(jié)果，反映其潤濕與離子滲透特性；（F）在 W × d 區(qū)域內(nèi)，不同漏極可滲透面積比例條件下 NF-vOECT 的動態(tài)響應(yīng)曲線及（G）響應(yīng)時間隨漏極可滲透面積變化的統(tǒng)計分析；（H）采用紫外固化膠對器件有源區(qū)進行側(cè)向封裝的示意圖（比例尺：200 μm）；（I）在側(cè)向區(qū)域封裝條件下，NF-vOECT 在不同電解質(zhì)環(huán)境中的轉(zhuǎn)移特性表現(xiàn)。

電生理監(jiān)測與“采集—處理一體化”前端優(yōu)勢

依托其高跨導(dǎo)、快速響應(yīng)和良好貼膚適配性，NF-vOECT 被進一步用于實時電生理信號監(jiān)測。該器件能夠在無需外部放大電路的情況下，實現(xiàn)對皮膚靜息電位、眼電和心電信號的穩(wěn)定采集，并在出汗和大幅皮膚形變條件下保持可靠的信號輸出，展現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)凝膠電極的界面穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，NF-vOECT 還被用于動物模型中的病理電生理監(jiān)測，實現(xiàn)了從神經(jīng)炎癥相關(guān)電位變化到肌肉激活信號的連續(xù)記錄，體現(xiàn)出其在復(fù)雜生理狀態(tài)下的信號跟蹤能力。進一步結(jié)合其固有的信號放大與頻率選擇特性，NF-vOECT 可在前端將心電信號信噪比提升至 23.1 dB，并為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供更高質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)；基于該器件處理后的信號，心電信號分類準(zhǔn)確率可達約 89%，驗證了其“采集—處理一體化”硬件架構(gòu)在可穿戴電生理監(jiān)測與智能分析中的應(yīng)用潛力。

圖4. （A）用于眼電（EOG）監(jiān)測的電路示意圖及眼動過程中記錄的代表性源漏電流信號；（B）在皮膚擠壓干擾條件下的EOG信號采集結(jié)果，并給出了器件在皮膚擠壓前后貼附于皮膚表面的狀態(tài)示意（比例尺：0.5 cm）；（C）大鼠皮下分別注射生理鹽水與PFA前后器件源漏電流信號變化情況（左），以及 NF-vOECT 貼附于大鼠背部并進行信號采集的工作示意圖（右）；（D）基于可穿戴 NF-vOECT 的心電（ECG）信號采集示意及五類典型心搏波形示例；（E）商用系統(tǒng)采集的原始 ECG 信號（上）與經(jīng) NF-vOECT 處理后的 ECG 信號（下）的對比，以及（F）對應(yīng)信號片段的局部放大圖；（G）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器在訓(xùn)練過程中的測試性能曲線，展示損失函數(shù)與準(zhǔn)確率隨訓(xùn)練輪次的變化；（H）以 NF-vOECT 處理后的 ECG 信號作為輸入時，五類心搏的分類準(zhǔn)確率混淆矩陣；（I）以未經(jīng)濾波的原始 ECG 信號作為測試集時的分類準(zhǔn)確率曲線及對應(yīng)混淆矩陣。

作者信息：東華大學(xué)材料學(xué)院李想，鐘岳桁以及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院王越為共同一作。東華大學(xué)王剛、孫恒達/上海交通大學(xué)姜虹、孫宇為通訊作者，相關(guān)工作得到了朱美芳院士指導(dǎo)。

該工作使用TuoTuo Technology無掩模光刻機（UV Litho-ACA）在PI 基底上完成了電極的圖案化制備工作。該研究獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)等項目支持。

論文鏈接：doi.org/10.1002/adma.202511945