理化所/国科大联合清华、首医Science：双相异质凝胶材料及其多元离子信号可控传输

电子器件和离电器件被誉为生物-非生物系统之间的桥梁，在神经电极、神经假体和智能可植入设备等领域具有重要应用。然而，与生物神经网络相比，现有的电子和离电设备的单一电子/非差异性离子信息传输无法承载更多生物相容的信息。因此，实现多元离子差异化传输仍然是离电器件领域的重要挑战。

在生物系统中，复杂的神经网络具有高度极化的突触门控界面，在受到神经动作电位的刺激时可处理和传输复杂的生物信号。受这种神经界面门控结构的启发，中国科学院理化技术研究所/中国科学院大学江雷院士团队的闻利平教授和赵紫光副教授联合清华大学徐志平教授以及首都医科大学刘慧荣教授发展了一种具有级联异质界面的双相凝胶离电器件（Cascade-heterogated Biphasic-gel Iontronics，HBG），实现了从电子到多种离子信号的转换和传输（Fig.1）。

研究团队构筑了具有离子富集相和连续低电导相的HBG材料。相较于传统的水凝胶离电器件，离子在HBG中需通过跨相传输，经历部分去水合和再水合过程。由于不同离子的本征特性，其水和-去水合能存在差异。该研究指出，当异质门控数量达到特定值时，离子将呈现出由界面迁移能垒主导的传输行为。因此，具有级联异质门控界面的HBG可从根本上放大不同离子间跨界面传输的差异，使不同离子信号传输达到数量级的差别。更重要的是，级联异质门控界面可根据迁移能垒进行离子传输分级，实现多离子分级传输和离子选择性跨级传输。在这项研究中，作者还通过利用源自HBG基离子突触的神经体液离子信号，成功地调节了牛蛙心脏的心电活动。这种离电器件将有望加快各种生物技术应用的发展。

图1. 级联异质门控两相凝胶离电材料的结构和跨界面离子传输

相关研究结果发表在Science（10.1126/science.adg0059）上，文章第一作者是理化所特别研究助理陈伟鹏，清华大学博士生翟麟鑫和首都医科大学张苏丽副教授，通讯作者为赵紫光副教授和闻利平研究员。该工作得到了理化所江雷院士的鼎力指导，感谢国家自然科学基金委、科技部的项目支持。

（招生@合作贴士：该研究团队注重学科交叉，有意向者请联系zhaoziguang@ucas.ac.cn）

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！