中科院理化所，重磅Science！

目前，非生物-生物系统中的电子学和电离电子学只能使用电子和单种离子作为单一信号载体。因此，需要一种在此类设备中对多个生物信号进行门控传输的机制来匹配和调制复杂的水相生物系统。

在这里，中国科学院理化技术研究所闻利平研究员和赵紫光研究员等人报道了使用级联异质门化双相凝胶离子电子学来实现多样化的电子到多离子信号传输。级联异质门特性决定了离子在电势场下所经历的转移自由能势垒和离子水合-脱水态，从根本上提高了不同离子之间跨界面传输的区别几个数量级。这种具有可编程特性的异质门或化学异质门离子电子学可以与多离子交叉界面迁移率耦合，以实现分层和选择性的跨级信号传输，预计这种电离电子学将是各种生物技术应用的理想候选者。

相关文章以“Cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission”为题发表在Science上。

研究背景

在生物系统中，具有复杂形态和高度极化界面结构的神经网络可以支持不同神经元之间复杂的生物离子和生化信号通信。复杂神经网络的这种结构和功能为设计级联门控架构提供了灵感，这些架构能够实现类似神经元的多变量离子或化学信号传输，这些信号传输可以与生理过程相互作用并调节生理过程。

近年来，人工电子和电离电子系统打破了非生物界面和生物界面之间的信息壁垒，在生物传感器、神经假体和植入式神经形态设备中的应用引起了广泛关注。电子学，尤其是神经形态电子学，直接使用可编程电脉冲信号将生物界面视为调节生理活动的信号换能器，而电离电子学则表现出单独执行非生物-生物系统的内在离子信号和电信号转换的能力，然而，与神经动作电位引发的具有多样化生物信号传递的生物神经元网络相比，大多数电子学和电离电子学仍然受到信号载体（电子或单离子）的单一物种属性的限制，无法携带更多的生物相容性信息。

这些由传统门控或非门控材料构建的现有电离电子学不能忠实地模拟多离子共转运，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无法区分水凝胶电离电子学中的各种离子。在电离电子学领域，在水相生物环境中进行多样化的电子到多离子传输和处理仍然是一个挑战。

研究内容

级联异质门化双相凝胶的设计与制备

在此，本文报道了使用具有级联异质界面门控特性的双相凝胶离子电子学来构建多样化的离子跨介质传输作为信号通信原理（图1A）。级联异质门双相凝胶（HBG）具有相分离异质网络结构，其中包含相反的二元凝胶相：微尺度离子富集的内部凝胶相（IE相）和低电导率连续凝胶相（LC相）（图1B）。具体来说，IE相具有水凝胶微夹杂物，可以储存和传输水合离子，LC相作为有机凝胶基质，用作部分脱水的离子传输介质。

离子跨介质传输可以通过连续和基于脉冲的电信号的外部刺激来触发，在此期间，阳离子水合壳的部分脱落和重构，作为离子部分水合和再水化状态（图1C），必须交替和连续发生。因此，双相多界面会引起级联异质门效应，从而决定离子在电势下如何经历转移自由能势垒（ΔE）和局部驱动力（∝ ΔV）（图1，D和E）。由于这些因素与离子水合-脱水能有关，多变量阳离子（X和X）之间跨界面传递增强了几个数量级。通过对异质门界面离子转移能垒的分选和控制，HBG系统可以处理电子到多离子的分层传输和选择性的离子跨级传输。

图1. 级联异质化双相凝胶电离电子学的异质结构和交叉界面离子传输

级联异质门化双相凝胶的离子透射特性

在非门控水凝胶离子电子学中，X+和Xⁿ⁺阳离子是高度水合的，可以在富水环境中以极低的粘度限制连续移动，并且很容易在电势场中穿过中性水凝胶网络（图2A）。在HBG系统中，由于离子固有的ΔE在连续或基于脉冲的电信号的外部刺激下，级联异质门机制可以有效地控制离子传输（图2B）。

在级联交叉界面离子传输中，阳离子水合壳层的部分脱落和重构，分别对应离子部分水合和再水化状态，交替发生。为了进一步说明不对称化学结构和空间结构产生的异质门效应，建立了异质界面的分子动力学模型来模拟离子传输路径和相关的转移自由能势垒。从IE相到LC相的异质界面交叉，阳离子水合壳层与IE和LC相之间的吸引和排斥相互作用，以及异质门界面的空间限制，导致ΔE的大幅增加。同时，由此产生的输运阻力可以被来自电场的局部驱动力抵消，因此部分脱水转化减小了水合离子的有效尺寸，使它们能够进入LC相，其中估计的1.5至3.0 Å的路径尺寸大于部分水合离子的路径尺寸（图1D）。

具体而言，离子半径、静电力、氢键和其他弱相互作用共同影响离子水合壳的稳定性，被认为是决定离子水合-脱水能的内在因素。从理论上讲，具有高电荷密度的离子可以导致附近水分子的强静电有序以稳定其水合壳，因此需要更高的水合-脱水能量来克服跨界面转移能势垒。

图2. 非门控水凝胶和级联异质门控双相凝胶的离子透射特性

级联异质门化双相凝胶的电子-多离子信号传输

图3A显示了含有1 mM K⁺和1 mM Ca²⁺混合物的HBG-1的离子电流和归一化信号强度的异常降低，这一结果可归因于K⁺具有比Ca²⁺更低的水合-脱水能和更小的离子-水合尺寸，因此它在电信号的刺激下更有利地通过异质门界面进行连续部分脱水和再水化，从而产生相对高效的离子传输。然而，Ca²⁺跨界面迁移率需要较大的传递能，降低了自身的传输效率并形成界面占用，在异质门界面引起空间位阻和静电排斥，从而进一步阻碍了K⁺和Ca²⁺运输。

图3. 级联异质门化双相凝胶的电子到多离子信号传输

生物离子神经体液调节

神经元信号转导依赖于各种神经递质分子和离子的受控传递。对于离子电子学，其目的是调节多种生物功能离子信号转导，以与水基生物环境中的生理活动相互作用并控制生理活性。为此，本研究开发的级联异质门离子电子转导装置将电子输入信号转换为不同的生物离子信号，证明了其作为生物通信载体的应用潜力（图4A和B）。同时，也证明了所开发系统的良好生物相容性。图4C和D概述了通过级联异门化和化学异质化装置转导生物功能神经体液信号，以调节心肌细胞的通透性并调节牛蛙心脏的心脏电活动，心电图的变化证实了这些结果。对于非生物-生物系统，预计这种电离电子学可以作为电子控制电路和生物离子神经电路之间生物相容性信号处理和传输的桥梁。

图4. 生物离子神经体液调节

综上所述，本文报道了用于各种离子信号传输的级联异质门电离电子学。这些凝胶整合了相反的二元相结构，形成了级联离子转移自由能势垒，这些势垒与不同离子的水合-脱水能高度相关。更令人印象深刻的是，级联异质门界面从根本上扩大和控制了离子转移能垒的等级差异，实现了多离子分层传输和离子选择性跨级传输。到目前为止，离子门控主要表现在一维或二维系统中。

本文开发的一种级联策略，将离子门控机制扩展到用于电子到多离子传输的三维内含子系统。基于HBG的电离电子学不仅提供与水相生物系统高度兼容的多物种生物离子信号，而且还提供先进的可编程信号传输功能，促进非生物-生物系统中各种生物信号的并行和多路复用传输。这些级联异质门电离电子学可作为可能扩展到更具生物功能的载体和其他信号转导机制的不同平台。尽管构建高性能人工神经网络还有很长的路要走，但预计这种级联异质门网络将适用于神经形态门控特征的硬件实现，同时也提供更多的信号形态和处理。

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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