缩小无机/生物界信息障碍Science：级联异质双相凝胶离子技术用于电-多离子信号传输

一、【导读】

生物系统中，具有复杂形态和高极性界面结构的神经网络可以支持不同神经元之间的复杂生物离子和生化信号通信。复杂神经网络结构和功能激发了我们创造级联控制体系的灵感，使其能够实现类似神经元的多变量离子或化学信号传输，并与生理过程进行接口和调节。

近年来，人工电子和离子技术系统已经突破了无机和生物界面之间的信息障碍，引起了在生物传感器、神经假肢和可植入仿生设备等方面的广泛关注。尤其是神经形态电子学，将可编程电脉冲信号直接用于生物界面，以调节生理活动，而离子技术则能够在无机-生物系统中对固有离子和电信号进行单独转化。然而，与神经动作电位引起的多种生物信号传输相比，大部分电子和离子技术仍限于单种信号载体（电子或单离子），无法携带更多的生物兼容信息。由传统门控或非门控材料构建的离子技术，甚至无法真实模拟多离子共运输，从而限制了它们在匹配生物组织中的特征信号表达。离子电流信号传输甚至不能区分水凝胶离子技术中的各种离子。在离子技术领域，如何在水相生物环境中实现电子到多种离子的传输和处理仍然是一个挑战。

二、【成果掠影】

目前，在无机-生物系统中，电子和离子技术只能使用电子和单种离子作为单一的信号载体。因此，这些设备需要一种多重生物信号的传输机制，以匹配和调节复杂的水相生物系统。本工作报道了采用级联异质结双相凝胶离子技术实现了多样化的电子到多离子信号传输。级联异质结的特性决定了离子在电场下的传递自由能障碍和离子的水合-脱水状态，从根本上提高了不同离子之间跨界面传输的区分度。这种带有可编程特性的异质结离子技术与多离子跨界面迁移性能相结合，可以实现层次和选择性的跨阶段信号传输。这些离子技术将成为各种生物技术应用的理想候选者。

中科院理化所闻利平教授和赵紫光博士等将此工作以“Cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission”为题发表在顶刊《Science》上。

三、【核心创新点】

1、一种异质结双相凝胶离子技术器件。

2、能够进行生物相容性的电子-离子信号处理和传输。

3、通过调节牛蛙心脏的心脏电活动进行了电子-离子信号传输。

4、推动无机-生物系统中进行生物相容性信号处理和传输。

三、【数据概况】

图1.级联异质双相凝胶离子电子学的异质结构和跨界面离子传输。©2023 Science.

图2.非门控水凝胶和级联杂门双相凝胶的离子传输特性。©2023 Science.

图 3. 级联杂门双相凝胶的电子到多离子信号传输。©2023 Science.

图 4. 生物离子神经体液调节。©2023 Science.

五、【成果启示】

报道了一种级联异质结离子技术，用于多种离子信号传输。这些凝胶集成了相反的二元相结构，形成了级联离子转移自由能壁垒，并与不同离子的水合-去水能量高度相关。主要的是，级联异质结界面扩大和控制了离子转移能量壁垒的分层差异，实现了多离子分层传输和离子选择性跨阶段传输。到目前为止，离子门控主要在一维或二维系统中体现；在这项工作中，开发了级联策略，将离子门控机制扩展到三维离子系统，用于电子至多离子传输。大多数采用传统离子门控或非门控的离子技术和电子器件在其潜在应用中难以有效处理多离子信号载体；然而，这些特性对于与复杂的生物系统接口匹配至关重要。基于HBG的离子技术不仅提供了高度兼容水相生物系统的多种生物离子信号，还提供了高级可编程信号传输功能，有利于在非生物-生物系统中进行各种生物信号的并行和多路传输。这些级联异质结离子技术将作为可扩展至更生物功能载体和其他信号转导机制的多样平台。同时，分析了这些级联门控系统中多种信号交换的权重和耦合特性。尽管构建高性能人工神经网络还有很长的路要走，但期望级联异质结网络将在硬件实现神经型门控特性时适用，同时提供更多的信号形态和处理。

原文详情：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg0059