在生物系統中，具有復雜形態和高度極化界面結構的神經網絡可以支持不同神經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、復刻類似神經系統中多變量離子或化學信號傳輸提供靈感，為實現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的生物神經網絡相比，現有的大多數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。
近日，由中國青年科學家組成的學科交叉團隊發展了一種具有級聯異質界面的雙相凝膠離電器件（Cascade-heterogated Biphasic-gel Iontronics，HBG），實現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”為題發表于《Science》上。
圖1. 級聯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，進而連續地經歷部分去水合和再水合轉換。因此，雙相多界面引發了級聯異質門控效應，決定了離子傳輸的遷移能壘。由于不同離子的本征特性，其水和-去水合能存在差異，不同價態陽離子（X+和Xn+）之間的跨界面傳輸存在數量級差異。更重要的是，基于級聯異質門控效應，可對離子傳輸能壘進行排序和控制，實現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體液離子傳導，成功地調節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，首都醫科大學張蘇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，有意向者請聯系zhaoziguang@ucas.ac.cn）
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adg0059
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