芝加哥大学王思泓团队Nature Materials：生物电子半导体聚合物，可在免疫系统中“隐身”！

在生物电子与植入式医疗设备领域，长期存在的异物反应（Foreign-Body Response, FBR）是制约设备功能稳定性的主要瓶颈。当半导体聚合物等合成材料植入体内时，免疫系统会触发以巨噬细胞活化、胶原沉积和纤维包裹为特征的炎症级联反应，导致设备-组织界面阻抗升高和信号传输衰减。因此，开发兼具高电学性能和免疫相容性的功能材料，对实现脑机接口、心脏起搏器等植入式电子设备的长期稳定运行至关重要。

在半导体聚合物设计领域，传统研究多聚焦于电荷传输效率或机械柔性的优化，而对材料化学结构与免疫微环境相互作用的机制研究仍属空白。与此同时，免疫调节材料学的发展表明，硒元素及其衍生物（如硒代半胱氨酸）可通过清除活性氧（ROS）调控巨噬细胞极化，而特定侧链基团（如THP/TMO）能直接干预炎症信号通路，但这些策略在导电聚合物中的应用尚未系统探索。

美国芝加哥大学王思泓团队通过将免疫学原理与半导体材料设计相结合，首次提出“主链硒吩化”与“侧链功能化”的双重调控策略，不仅显著抑制了FBR的病理进程，同时保持了1 cm² V⁻¹ s⁻¹的高载流子迁移率。该研究为下一代生物电子器件开发提供了普适性分子设计范式，相关成果以“Immune-compatible designs of semiconducting polymers for bioelectronics with suppressed foreign-body response”为题发表于《Nature Materials》。

值得注意的是，为解决生物电子的异物反应（FBR），去年王思泓团队在《Science》杂志上报道了半导体高分子的水凝胶设计，从力学性能的方面实现了更低的FBR，和这一篇工作的通过化学结构设计达到免疫兼容性形成了很好的互补（相关报道：）。

免疫兼容型半导体聚合物的设计策略

本研究采用创新的分子设计策略开发了具有免疫兼容特性的半导体聚合物（图1）。通过微波辅助聚合方法合成了以硒吩（Se）替代传统噻吩（T）的主链结构p(g2T-Se)，并利用点击化学（CLIP方法）实现了侧链THP/TMO基团的100%接枝率。材料表征显示，所得聚合物薄膜厚度控制在150-400nm，且细胞毒性测试证实其生物安全性。Masson染色结果表明，植入4周后，p(g2T-Se)-THP的胶原沉积密度（8%）较对照组p(g2T-T)（25%）显著降低68%，验证了分子设计的有效性。

图1 | 具有抑制异物反应（FBR）功能的免疫兼容型半导体聚合物设计

免疫兼容设计显著降低胶原沉积和免疫细胞浸润

通过建立小鼠皮下植入模型，研究团队对材料的免疫兼容性进行了系统评价（图2）。定量PCR分析表明，硒吩主链使I型和III型胶原mRNA表达水平降低20-40%，而THP/TMO侧链功能化进一步将表达水平降低至50-70%。免疫荧光结果显示，p(g2T-Se)-TMO组的巨噬细胞（CD68+标记）浸润减少68%，肌成纤维细胞（α-SMA+标记）减少79%，这些数据充分说明优化后的材料能有效阻断FBR终末阶段的纤维化进程。

图2 | 采用免疫兼容设计的聚合物薄膜可减少胶原沉积和免疫细胞聚集

免疫兼容设计促进抗炎型巨噬细胞极化

图3深入揭示了材料调控免疫细胞极化的分子机制。通过多重细胞因子检测发现，硒吩和THP/TMO的协同作用能显著下调CCR7、IFN-γ、IL-6等促炎标志物，同时使抗炎因子IL-10和IL-4的表达水平提升2-3倍。热图分析直观展示了该设计能将巨噬细胞表型从促炎的M1型向组织修复的M2型转化，从而实现对植入部位免疫微环境的重塑。

图3 | 免疫兼容设计促进抗炎型巨噬细胞极化

硒吩通过抑制炎症信号通路发挥抗炎作用

图4通过建立LPS诱导的RAW264.7巨噬细胞炎症模型，阐明了硒吩的抗炎作用机制。流式细胞术分析显示，硒吩以剂量依赖方式显著抑制LPS激活的巨噬细胞内p-p38、p-JNK等关键炎症信号分子，而传统噻吩处理组未见此效应。进一步的ELISA实验证实硒吩能有效阻断GM-CSF等促炎细胞因子的分泌，这些结果共同说明硒吩通过清除活性氧（ROS）的途径干预先天免疫应答。

图4 | 体外研究证实硒吩可抑制巨噬细胞活化

免疫兼容聚合物在生物电子器件中的应用表现

采用光刻和电子束蒸镀技术制备了沟道尺寸为200μm×4mm的OECT器件，图5全面评估了材料在生物电子应用中的性能表现。电学特性测试表明，p(g2T-Se)-THP在引入免疫调节基团后仍保持1 cm²V⁻¹s⁻¹的高载流子迁移率。GIXD分析显示其结晶度优于传统聚合物，证实分子设计对材料电学性能影响有限。更重要的是，植入小鼠4周的实验数据显示，基于该聚合物的OECT器件心电信号幅度保留率较对照组显著提高，充分证明免疫兼容设计能有效延长植入式电子器件的功能性寿命。

图5 | 免疫兼容半导体聚合物的有机电化学晶体管（OECT）表征及植入应用

全文总结

总之，该研究针对可植入电子设备长期功能性和减少炎症反应的关键挑战——免疫介导的异物反应（FBR），提出了一系列增强半导体聚合物免疫相容性的分子设计策略。研究发现，在聚合物主链中引入硒吩可抑制巨噬细胞活化，从而减轻FBR；而通过侧链修饰免疫调节基团，则能进一步下调炎症生物标志物的表达。结合这两种策略，所合成的聚合物使FBR降低达68%（以胶原密度为指标），同时保持约1 cm² V⁻¹ s⁻¹的高载流子迁移率。这些免疫相容性设计原则可拓展至多种共轭聚合物，为开发低FBR的可植入器件提供了重要的技术路线。

参考文献：

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02213-x

来源：高分子科学前沿

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