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目前，非生物-生物系統中的電子學和電離電子學只能使用電子和單種離子作為單一信號載體。因此，需要一種在此類設備中對多個生物信號進行門控傳輸的機制來匹配和調制復雜的水相生物系統。

在這里，中國科學院理化技術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異質門化雙相凝膠離子電子學來實現多樣化的電子到多離子信號傳輸。級聯異質門特性決定了離子在電勢場下所經歷的轉移自由能勢壘和離子水合-脫水態，從根本上提高了不同離子之間跨界面傳輸的區別幾個數量級。這種具有可編程特性的異質門或化學異質門離子電子學可以與多離子交叉界面遷移率耦合，以實現分層和選擇性的跨級信號傳輸，預計這種電離電子學將是各種生物技術應用的理想候選者。

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

研究背景

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的生物離子和生化信號通信。復雜神經網絡的這種結構和功能為設計級聯門控架構提供了靈感，這些架構能夠實現類似神經元的多變量離子或化學信號傳輸，這些信號傳輸可以與生理過程相互作用并調節生理過程。

近年來，人工電子和電離電子系統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、神經假體和植入式神經形態設備中的應用引起了廣泛關注。電子學，尤其是神經形態電子學，直接使用可編程電脈沖信號將生物界面視為調節生理活動的信號換能器，而電離電子學則表現出單獨執行非生物-生物系統的內在離子信號和電信號轉換的能力，然而，與神經動作電位引發的具有多樣化生物信號傳遞的生物神經元網絡相比，大多數電子學和電離電子學仍然受到信號載體（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。

這些由傳統門控或非門控材料構建的現有電離電子學不能忠實地模擬多離子共轉運，從而限制了它們在匹配生物組織中的特征信號表達。離子電流信號傳輸甚至無法區分水凝膠電離電子學中的各種離子。在電離電子學領域，在水相生物環境中進行多樣化的電子到多離子傳輸和處理仍然是一個挑戰。

研究內容

級聯異質門化雙相凝膠的設計與制備

在此，本文報道了使用具有級聯異質界面門控特性的雙相凝膠離子電子學來構建多樣化的離子跨介質傳輸作為信號通信原理（圖1A）。級聯異質門雙相凝膠（HBG）具有相分離異質網絡結構，其中包含相反的二元凝膠相：微尺度離子富集的內部凝膠相（IE相）和低電導率連續凝膠相（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相作為有機凝膠基質，用作部分脫水的離子傳輸介質。

離子跨介質傳輸可以通過連續和基于脈沖的電信號的外部刺激來觸發，在此期間，陽離子水合殼的部分脫落和重構，作為離子部分水合和再水化狀態（圖1C），必須交替和連續發生。因此，雙相多界面會引起級聯異質門效應，從而決定離子在電勢下如何經歷轉移自由能勢壘（ΔE）和局部驅動力（∝ ΔV）（圖1，D和E）。由于這些因素與離子水合-脫水能有關，多變量陽離子（X和X）之間跨界面傳遞增強了幾個數量級。通過對異質門界面離子轉移能壘的分選和控制，HBG系統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. 級聯異質化雙相凝膠電離電子學的異質結構和交叉界面離子傳輸

級聯異質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中，X+和Xⁿ⁺陽離子是高度水合的，可以在富水環境中以極低的粘度限制連續移動，并且很容易在電勢場中穿過中性水凝膠網絡（圖2A）。在HBG系統中，由于離子固有的ΔE在連續或基于脈沖的電信號的外部刺激下，級聯異質門機制可以有效地控制離子傳輸（圖2B）。

在級聯交叉界面離子傳輸中，陽離子水合殼層的部分脫落和重構，分別對應離子部分水合和再水化狀態，交替發生。為了進一步說明不對稱化學結構和空間結構產生的異質門效應，建立了異質界面的分子動力學模型來模擬離子傳輸路徑和相關的轉移自由能勢壘。從IE相到LC相的異質界面交叉，陽離子水合殼層與IE和LC相之間的吸引和排斥相互作用，以及異質門界面的空間限制，導致ΔE的大幅增加。同時，由此產生的輸運阻力可以被來自電場的局部驅動力抵消，因此部分脫水轉化減小了水合離子的有效尺寸，使它們能夠進入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定性，被認為是決定離子水合-脫水能的內在因素。從理論上講，具有高電荷密度的離子可以導致附近水分子的強靜電有序以穩定其水合殼，因此需要更高的水合-脫水能量來克服跨界面轉移能勢壘。

圖2. 非門控水凝膠和級聯異質門控雙相凝膠的離子透射特性

級聯異質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度的異常降低，這一結果可歸因于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門界面進行連續部分脫水和再水化，從而產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，在異質門界面引起空間位阻和靜電排斥，從而進一步阻礙了K⁺和Ca²⁺運輸。

圖3. 級聯異質門化雙相凝膠的電子到多離子信號傳輸

生物離子神經體液調節

神經元信號轉導依賴于各種神經遞質分子和離子的受控傳遞。對于離子電子學，其目的是調節多種生物功能離子信號轉導，以與水基生物環境中的生理活動相互作用并控制生理活性。為此，本研究開發的級聯異質門離子電子轉導裝置將電子輸入信號轉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用潛力（圖4A和B）。同時，也證明了所開發系統的良好生物相容性。圖4C和D概述了通過級聯異門化和化學異質化裝置轉導生物功能神經體液信號，以調節心肌細胞的通透性并調節牛蛙心臟的心臟電活動，心電圖的變化證實了這些結果。對于非生物-生物系統，預計這種電離電子學可以作為電子控制電路和生物離子神經電路之間生物相容性信號處理和傳輸的橋梁。

圖4.?生物離子神經體液調節

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

本文開發的一種級聯策略，將離子門控機制擴展到用于電子到多離子傳輸的三維內含子系統。基于HBG的電離電子學不僅提供與水相生物系統高度兼容的多物種生物離子信號，而且還提供先進的可編程信號傳輸功能，促進非生物-生物系統中各種生物信號的并行和多路復用傳輸。這些級聯異質門電離電子學可作為可能擴展到更具生物功能的載體和其他信號轉導機制的不同平臺。盡管構建高性能人工神經網絡還有很長的路要走，但預計這種級聯異質門網絡將適用于神經形態門控特征的硬件實現，同時也提供更多的信號形態和處理。

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

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