在生物系統(tǒng)中，具有復雜形態(tài)和高度極化界面結構的神經(jīng)網(wǎng)絡可以支持不同神經(jīng)元之間復雜生物離子/生物化學信號通信。這種結構和功能為設計新型離電器件、復刻類似神經(jīng)系統(tǒng)中多變量離子或化學信號傳輸提供靈感，為實現(xiàn)對生理功能調控奠定基礎。
近年來，人工電子器件和離電器件已成為研究的熱點之一。然而，與承載多種生物信號傳輸?shù)纳锷窠?jīng)網(wǎng)絡相比，現(xiàn)有的大多數(shù)電子器件和離電器件仍受限于信號載體的單一性（即電子或單一離子），不能攜帶更多生物兼容的信息。這些器件的構建大多基于傳統(tǒng)的門控/非門控材料，無法模擬多離子信號的共同傳輸，從而限制了它們在匹配生物組織中的特征信號表達。例如，對于基于水凝膠的離電器件，離子信號傳輸難以區(qū)分不同離子，從電子到多元離子信號的傳輸和處理仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
近日，由中國青年科學家組成的學科交叉團隊發(fā)展了一種具有級聯(lián)異質界面的雙相凝膠離電器件（Cascade-heterogated Biphasic-gel Iontronics，HBG），實現(xiàn)了從電子到多種離子信號的轉換和傳輸（Fig.1）。相關成果以“Cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission”為題發(fā)表于《Science》上。
圖1. 級聯(lián)異質門控兩相凝膠離電材料的結構和跨界面離子傳輸
HBG具有相分離的異質網(wǎng)絡結構，其中，水凝膠相可以存儲和傳輸水合離子，有機凝膠相作為部分去水合離子的傳輸介質。在電場作用下，離子能夠跨相傳輸，進而連續(xù)地經(jīng)歷部分去水合和再水合轉換。因此，雙相多界面引發(fā)了級聯(lián)異質門控效應，決定了離子傳輸?shù)倪w移能壘。由于不同離子的本征特性，其水和-去水合能存在差異，不同價態(tài)陽離子（X+和Xn+）之間的跨界面?zhèn)鬏敶嬖跀?shù)量級差異。更重要的是，基于級聯(lián)異質門控效應，可對離子傳輸能壘進行排序和控制，實現(xiàn)從電子到多元離子的分級傳輸以及離子選擇性跨級傳輸。在這項研究中，作者還通過HBG信號轉換器件的神經(jīng)體液離子傳導，成功地調節(jié)了牛蛙心臟的心電活動。這種離電器件將有望加快各種生物技術應用的發(fā)展。
文章的通訊作者為理化所/國科大江雷院士團隊的趙紫光副教授和聞利平研究員，第一作者是理化所特別研究助理陳偉鵬，清華大學博士生翟麟鑫，首都醫(yī)科大學張?zhí)K麗副教授和趙紫光副教授。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部的大力支持。
（招生@合作貼士：該研究團隊注重學科交叉，有意向者請聯(lián)系zhaoziguang@ucas.ac.cn）
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adg0059
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