目前，非生物-生物系統(tǒng)中的電子學(xué)和電離電子學(xué)只能使用電子和單種離子作為單一信號載體。因此，需要一種在此類設(shè)備中對多個生物信號進(jìn)行門控傳輸?shù)臋C(jī)制來匹配和調(diào)制復(fù)雜的水相生物系統(tǒng)。

在這里，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所聞利平研究員和趙紫光研究員等人報道了使用級聯(lián)異質(zhì)門化雙相凝膠離子電子學(xué)來實現(xiàn)多樣化的電子到多離子信號傳輸。級聯(lián)異質(zhì)門特性決定了離子在電勢場下所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)移自由能勢壘和離子水合-脫水態(tài)，從根本上提高了不同離子之間跨界面?zhèn)鬏數(shù)膮^(qū)別幾個數(shù)量級。這種具有可編程特性的異質(zhì)門或化學(xué)異質(zhì)門離子電子學(xué)可以與多離子交叉界面遷移率耦合，以實現(xiàn)分層和選擇性的跨級信號傳輸，預(yù)計這種電離電子學(xué)將是各種生物技術(shù)應(yīng)用的理想候選者。

相關(guān)文章以“Cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission”為題發(fā)表在Science上。

研究背景

在生物系統(tǒng)中，具有復(fù)雜形態(tài)和高度極化界面結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以支持不同神經(jīng)元之間復(fù)雜的生物離子和生化信號通信。復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這種結(jié)構(gòu)和功能為設(shè)計級聯(lián)門控架構(gòu)提供了靈感，這些架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)類似神經(jīng)元的多變量離子或化學(xué)信號傳輸，這些信號傳輸可以與生理過程相互作用并調(diào)節(jié)生理過程。 近年來，人工電子和電離電子系統(tǒng)打破了非生物界面和生物界面之間的信息壁壘，在生物傳感器、神經(jīng)假體和植入式神經(jīng)形態(tài)設(shè)備中的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。

電子學(xué)，尤其是神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)，直接使用可編程電脈沖信號將生物界面視為調(diào)節(jié)生理活動的信號換能器，而電離電子學(xué)則表現(xiàn)出單獨執(zhí)行非生物-生物系統(tǒng)的內(nèi)在離子信號和電信號轉(zhuǎn)換的能力，然而，與神經(jīng)動作電位引發(fā)的具有多樣化生物信號傳遞的生物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)相比，大多數(shù)電子學(xué)和電離電子學(xué)仍然受到信號載體（電子或單離子）的單一物種屬性的限制，無法攜帶更多的生物相容性信息。

這些由傳統(tǒng)門控或非門控材料構(gòu)建的現(xiàn)有電離電子學(xué)不能忠實地模擬多離子共轉(zhuǎn)運，從而限制了它們在匹配生物組織中的特征信號表達(dá)。離子電流信號傳輸甚至無法區(qū)分水凝膠電離電子學(xué)中的各種離子。在電離電子學(xué)領(lǐng)域，在水相生物環(huán)境中進(jìn)行多樣化的電子到多離子傳輸和處理仍然是一個挑戰(zhàn)。

研究內(nèi)容

級聯(lián)異質(zhì)門化雙相凝膠的設(shè)計與制備

在此，本文報道了使用具有級聯(lián)異質(zhì)界面門控特性的雙相凝膠離子電子學(xué)來構(gòu)建多樣化的離子跨介質(zhì)傳輸作為信號通信原理（圖1A）。級聯(lián)異質(zhì)門雙相凝膠（HBG）具有相分離異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中包含相反的二元凝膠相：微尺度離子富集的內(nèi)部凝膠相（IE相）和低電導(dǎo)率連續(xù)凝膠相（LC相）（圖1B）。具體來說，IE相具有水凝膠微夾雜物，可以儲存和傳輸水合離子，LC相作為有機(jī)凝膠基質(zhì)，用作部分脫水的離子傳輸介質(zhì)。

離子跨介質(zhì)傳輸可以通過連續(xù)和基于脈沖的電信號的外部刺激來觸發(fā)，在此期間，陽離子水合殼的部分脫落和重構(gòu)，作為離子部分水合和再水化狀態(tài)（圖1C），必須交替和連續(xù)發(fā)生。因此，雙相多界面會引起級聯(lián)異質(zhì)門效應(yīng)，從而決定離子在電勢下如何經(jīng)歷轉(zhuǎn)移自由能勢壘（ΔE）和局部驅(qū)動力（∝ ΔV）（圖1，D和E）。由于這些因素與離子水合-脫水能有關(guān)，多變量陽離子（X和X）之間跨界面?zhèn)鬟f增強(qiáng)了幾個數(shù)量級。通過對異質(zhì)門界面離子轉(zhuǎn)移能壘的分選和控制，HBG系統(tǒng)可以處理電子到多離子的分層傳輸和選擇性的離子跨級傳輸。

圖1. 級聯(lián)異質(zhì)化雙相凝膠電離電子學(xué)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和交叉界面離子傳輸

級聯(lián)異質(zhì)門化雙相凝膠的離子透射特性

在非門控水凝膠離子電子學(xué)中，X+和Xn+陽離子是高度水合的，可以在富水環(huán)境中以極低的粘度限制連續(xù)移動，并且很容易在電勢場中穿過中性水凝膠網(wǎng)絡(luò)（圖2A）。在HBG系統(tǒng)中，由于離子固有的ΔE在連續(xù)或基于脈沖的電信號的外部刺激下，級聯(lián)異質(zhì)門機(jī)制可以有效地控制離子傳輸（圖2B）。

在級聯(lián)交叉界面離子傳輸中，陽離子水合殼層的部分脫落和重構(gòu)，分別對應(yīng)離子部分水合和再水化狀態(tài)，交替發(fā)生。為了進(jìn)一步說明不對稱化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的異質(zhì)門效應(yīng)，建立了異質(zhì)界面的分子動力學(xué)模型來模擬離子傳輸路徑和相關(guān)的轉(zhuǎn)移自由能勢壘。從IE相到LC相的異質(zhì)界面交叉，陽離子水合殼層與IE和LC相之間的吸引和排斥相互作用，以及異質(zhì)門界面的空間限制，導(dǎo)致ΔE的大幅增加。

同時，由此產(chǎn)生的輸運阻力可以被來自電場的局部驅(qū)動力抵消，因此部分脫水轉(zhuǎn)化減小了水合離子的有效尺寸，使它們能夠進(jìn)入LC相，其中估計的1.5至3.0 ?的路徑尺寸大于部分水合離子的路徑尺寸（圖1D）。 具體而言，離子半徑、靜電力、氫鍵和其他弱相互作用共同影響離子水合殼的穩(wěn)定性，被認(rèn)為是決定離子水合-脫水能的內(nèi)在因素。從理論上講，具有高電荷密度的離子可以導(dǎo)致附近水分子的強(qiáng)靜電有序以穩(wěn)定其水合殼，因此需要更高的水合-脫水能量來克服跨界面轉(zhuǎn)移能勢壘。

圖2. 非門控水凝膠和級聯(lián)異質(zhì)門控雙相凝膠的離子透射特性

級聯(lián)異質(zhì)門化雙相凝膠的電子-多離子信號傳輸

圖3A顯示了含有1 mM K+和1 mM Ca2+混合物的HBG-1的離子電流和歸一化信號強(qiáng)度的異常降低，這一結(jié)果可歸因于K+具有比Ca2+更低的水合-脫水能和更小的離子-水合尺寸，因此它在電信號的刺激下更有利地通過異質(zhì)門界面進(jìn)行連續(xù)部分脫水和再水化，從而產(chǎn)生相對高效的離子傳輸。然而，Ca2+跨界面遷移率需要較大的傳遞能，降低了自身的傳輸效率并形成界面占用，在異質(zhì)門界面引起空間位阻和靜電排斥，從而進(jìn)一步阻礙了K+和Ca2+運輸。

圖3. 級聯(lián)異質(zhì)門化雙相凝膠的電子到多離子信號傳輸

生物離子神經(jīng)體液調(diào)節(jié)

神經(jīng)元信號轉(zhuǎn)導(dǎo)依賴于各種神經(jīng)遞質(zhì)分子和離子的受控傳遞。對于離子電子學(xué)，其目的是調(diào)節(jié)多種生物功能離子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，以與水基生物環(huán)境中的生理活動相互作用并控制生理活性。為此，本研究開發(fā)的級聯(lián)異質(zhì)門離子電子轉(zhuǎn)導(dǎo)裝置將電子輸入信號轉(zhuǎn)換為不同的生物離子信號，證明了其作為生物通信載體的應(yīng)用潛力（圖4A和B）。同時，也證明了所開發(fā)系統(tǒng)的良好生物相容性。圖4C和D概述了通過級聯(lián)異門化和化學(xué)異質(zhì)化裝置轉(zhuǎn)導(dǎo)生物功能神經(jīng)體液信號，以調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的通透性并調(diào)節(jié)牛蛙心臟的心臟電活動，心電圖的變化證實了這些結(jié)果。對于非生物-生物系統(tǒng)，預(yù)計這種電離電子學(xué)可以作為電子控制電路和生物離子神經(jīng)電路之間生物相容性信號處理和傳輸?shù)臉蛄骸?/p>

綜上所述，本文報道了用于各種離子信號傳輸?shù)募壜?lián)異質(zhì)門電離電子學(xué)。這些凝膠整合了相反的二元相結(jié)構(gòu)，形成了級聯(lián)離子轉(zhuǎn)移自由能勢壘，這些勢壘與不同離子的水合-脫水能高度相關(guān)。更令人印象深刻的是，級聯(lián)異質(zhì)門界面從根本上擴(kuò)大和控制了離子轉(zhuǎn)移能壘的等級差異，實現(xiàn)了多離子分層傳輸和離子選擇性跨級傳輸。到目前為止，離子門控主要表現(xiàn)在一維或二維系統(tǒng)中。

本文開發(fā)的一種級聯(lián)策略，將離子門控機(jī)制擴(kuò)展到用于電子到多離子傳輸?shù)娜S內(nèi)含子系統(tǒng)。基于HBG的電離電子學(xué)不僅提供與水相生物系統(tǒng)高度兼容的多物種生物離子信號，而且還提供先進(jìn)的可編程信號傳輸功能，促進(jìn)非生物-生物系統(tǒng)中各種生物信號的并行和多路復(fù)用傳輸。這些級聯(lián)異質(zhì)門電離電子學(xué)可作為可能擴(kuò)展到更具生物功能的載體和其他信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的不同平臺。盡管構(gòu)建高性能人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還有很長的路要走，但預(yù)計這種級聯(lián)異質(zhì)門網(wǎng)絡(luò)將適用于神經(jīng)形態(tài)門控特征的硬件實現(xiàn)，同時也提供更多的信號形態(tài)和處理。

Weipeng Chen?, Linxin Zhai?, Suli Zhang?, Ziguang Zhao?*, Yuhao Hu, Yun Xiang, Huirong Liu, Zhiping Xu, Lei Jiang, Liping Wen*, Cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0059

華算科技是專業(yè)的理論計算與科研測試解決方案服務(wù)商，為高校和企業(yè)的科研團(tuán)隊提供材料、催化、能源、生物等領(lǐng)域的理論計算和測試表征解決方案。

華算科技已向國內(nèi)外600多家高校/科研單位提供了超過10000項理論計算和測試表征服務(wù)，部分團(tuán)隊研究成果已發(fā)表在Nature、Nature系列、Science子刊、AM系列、ACS系列、RSC系列、EES等國際頂級期刊。