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客户成果丨东华大学上海交通大学医学院《Adv. Mater.》：离子可渗透电极赋能纳米纤维织物垂直有机电化学晶体管

随着可穿戴健康监测与柔性电子的发展，迫切需要在低电压、低功耗且可长期贴肤的平台上，实现对微弱电生理信号的稳定采集与高保真放大。然而，传统金属电极与刚性放大电路在透气性、机械适配性及抗运动干扰方面存在局限，难以满足连续可穿戴电生理监测的实际需求。对此，东华大学联合上海交通大学医学院研究团队提出构筑纳米纤维垂直有机电化学晶体管平台（NF-vOECT）。相关研究以“Conformal Vertical Organic Electrochemical Transistors With Ion‐Permeable Electrodes for Electrophysiological Monitoring”为题发表在学术期刊《Advanced Materials》上。

以下为该工作的具体研究内容：

织物基 OECT 性能权衡约束下的垂直器件架构设计

在器件设计上，研究团队采用全静电纺策略构建了一种无需光刻的垂直有机电化学晶体管架构，实现了与柔性基底高度贴合、同时具备良好可扩展性的织物化器件平台。该器件由纳米纤维电极基底与垂直堆叠的半导体纳米纤维通道组成，器件的水蒸气透过率可达3.99 kg·m⁻²·d⁻¹，在结构层面同时满足了织物电子对透气性、柔性与结构连续性的要求。

图 1.（A）NF-vOECT 的器件结构示意图及等效电路模型，并给出了 PAN/PVP 纳米纤维基底在金沉积前（I）与沉积后（II）的扫描电镜图像，以及 PEDOT:PSS/PAAm半导体纳米纤维通道的形貌（III）（比例尺：2 μm）；（B）垂直器件结构的截面示意图；（C）不同覆盖条件下的水蒸发透过率；（D）PAN/PVP 纳米纤维膜在金沉积前后孔隙率的变化情况；（E）PEDOT:PSS 与 PAAm 的分子结构示意；（F）NF-vOECT 的峰值跨导与响应时间与已报道的纤维/织物基及刚性光滑基底 OECT 器件进行对比。

纳米纤维织物垂直 OECT 的高性能特性

得益于垂直几何与可渗透电极带来的高效门控，器件在低电压下同时实现 57.5 mS 的峰值跨导与 11.7 ms 的毫秒级响应，突破了传统织物基 OECT 往往“增益高则响应慢、响应快则增益低”的性能取舍。基于该器件构建的基本逻辑单元可实现稳定的逻辑功能，表明其不仅适用于信号放大，也具备向功能电路与系统集成拓展的潜力。同时，器件在长期循环与10000次反复形变条件下仍能保持稳定工作，体现出面向可穿戴电生理监测的可靠性。

图2. （A）NF-vOECT 的输出特性曲线及（B）转移特性曲线（W = d = 500 µm，t = 3 min）；（C）器件的瞬态响应特性；（D）不同电解质条件下 NF-vOECT 的响应时间对比；（E）在连续 1000 次栅极脉冲作用下的器件稳定性测试；（F）不同弯曲半径条件下开启电流与峰值跨导的变化情况；（G）在 0.5 cm 弯曲半径下经历 10 000 次弯折循环后，NF-vOECT 的转移特性及跨导表现；（H）基于 NF-vOECT 构建的逻辑门电路示例，包括 AND 与 OR 逻辑运算。

器件结构参数对 NF-vOECT 动态性能的调控机制

围绕通道纤维网络与电极重叠区域等关键参数的系统调控表明，器件动态响应的核心在于离子注入路径与有效调制体积的匹配。离子可渗透电极的引入在其中起到了关键作用，使电解质离子能够通过多路径参与垂直调制，从而在不同结构条件下仍保持高效、稳定的开关响应。这一发现从结构机理层面阐明了 NF-vOECT 实现高跨导与快速响应协同优化的内在原因。

图3. （A）不同静电纺时间条件下 NF-vOECT 的峰值跨导变化及（B）对应的开启响应时间；（C）电极宽度对响应时间与峰值跨导的影响关系，插图示意了器件宽度由 0.2 mm 逐步增加至 1.0 mm 的过程；（D）NF-vOECT 器件中离子传输路径的示意图，用于说明垂直离子调制机制；（E）纳米纤维电极膜的动态接触角测试结果，反映其润湿与离子渗透特性；（F）在 W × d 区域内，不同漏极可渗透面积比例条件下 NF-vOECT 的动态响应曲线及（G）响应时间随漏极可渗透面积变化的统计分析；（H）采用紫外固化胶对器件有源区进行侧向封装的示意图（比例尺：200 μm）；（I）在侧向区域完全封装条件下，NF-vOECT 在不同电解质环境中的转移特性表现。

电生理监测与“采集—处理一体化”前端优势

依托其高跨导、快速响应和良好贴肤适配性，NF-vOECT 被进一步用于实时电生理信号监测。该器件能够在无需外部放大电路的情况下，实现对皮肤静息电位、眼电和心电信号的稳定采集，并在出汗和大幅皮肤形变条件下保持可靠的信号输出，展现出优于传统凝胶电极的界面稳定性。在此基础上，NF-vOECT 还被用于动物模型中的病理电生理监测，实现了从神经炎症相关电位变化到肌肉激活信号的连续记录，体现出其在复杂生理状态下的信号跟踪能力。进一步结合其固有的信号放大与频率选择特性，NF-vOECT 可在前端将心电信号信噪比提升至 23.1 dB，并为神经网络提供更高质量的输入数据；基于该器件处理后的信号，心电信号分类准确率可达约 89%，验证了其“采集—处理一体化”硬件架构在可穿戴电生理监测与智能分析中的应用潜力。

图4. （A）用于眼电（EOG）监测的电路示意图及眼动过程中记录的代表性源漏电流信号；（B）在皮肤挤压干扰条件下的EOG信号采集结果，并给出了器件在皮肤挤压前后贴附于皮肤表面的状态示意（比例尺：0.5 cm）；（C）大鼠皮下分别注射生理盐水与PFA前后器件源漏电流信号变化情况（左），以及 NF-vOECT 贴附于大鼠背部并进行信号采集的工作示意图（右）；（D）基于可穿戴 NF-vOECT 的心电（ECG）信号采集示意及五类典型心搏波形示例；（E）商用系统采集的原始 ECG 信号（上）与经 NF-vOECT 处理后的 ECG 信号（下）的对比，以及（F）对应信号片段的局部放大图；（G）神经网络分类器在训练过程中的测试性能曲线，展示损失函数与准确率随训练轮次的变化；（H）以 NF-vOECT 处理后的 ECG 信号作为输入时，五类心搏的分类准确率混淆矩阵；（I）以未经滤波的原始 ECG 信号作为测试集时的分类准确率曲线及对应混淆矩阵。