为生物和非生物通讯建“桥” 中国科学家成功实现可控离子传输

本文转自：中国新闻网

中新网北京11月27日电 (记者 孙自法)记者27日从中国科学院理化技术研究所(理化所)获悉，中国科学家通过合作科研攻关，最新开发出一种具有级联异质界面的双相凝胶离电器件，成功实现多种离子信号的转换和传输，这一基于软物质材料实现可控离子传输的研究突破，将有望为生物和非生物系统之间搭建起通讯之“桥”。

这项重要科研成果是在中国科学院理化所江雷院士指导下，由中国科学院理化所闻利平研究员和中国科学院大学赵紫光副教授联合清华大学徐志平教授、首都医科大学刘慧荣教授等共同完成，相关论文近日在国际著名学术期刊《科学》(Science)发表。

本次研究的级联异质门控双相凝胶材料。中国科学院理化所 供图

论文共同通讯作者闻利平研究员介绍说，人工电子电路主要基于电子和空穴进行信号传输和运算，而自然界中生命体内的信息传递和能量转换则主要依赖于复杂的离子体系。以人体为例，生物系统通过协调多种离子，如钾、钠、钙和氯离子等，实现各种纷繁复杂的生理功能。通俗来说，各种离子就像一颗颗小球，在受到刺激信号(如电信号等)时，按需向目的地前进。

近年来，将离子和电子的电荷转移与信号转换结合的离电器件引起广泛关注和研究，这些器件被誉为生物和非生物系统之间的桥梁，在神经电极、神经假体、智能可植入设备等领域发挥着重要作用。然而，现有的离电器件仍受限于信号载体的单一性，无法携带更多生物兼容的信息。

究其原因，主要在于现有器件的构建大多基于传统的门控/非门控材料，无法同时对多种离子“小球”进行排序，从而限制了它们在匹配生物组织中的特征信号表达，例如，基于水凝胶的离电器件难以实现不同离子信号的差异性传输。因此，让离子“小球”根据规则“赛跑”，从电子到多元离子信号的传输和处理仍然是一个巨大的挑战。

为突破这一挑战，本项研究强调门控机制在实现多元离子信号传输中的重要性。在电场的作用下，离子部分去水合和再水合的过程将交替而连续地进行。由于不对称化学结构和空间尺寸的影响，异质界面将扮演多重“门”的作用，迫使“小球”脱掉由水分子组成的“外套”，而它们脱掉“外套”的难易程度不一样。双相多界面结构引发的级联异质门控效应，将决定不同离子传输的能垒，使不同价态阳离子之间的跨界面传输呈现巨大的差异。在不同电压刺激下，异质门控双相凝胶(HBG)材料能够对离子传输能垒进行排序和控制，从而让“小球有序奔跑”，实现多元离子的分级传输。

闻利平表示，此次合作研究制备出具有级联异质门控的离电材料，揭示了级联异质门控效应对离子传输的重要影响，实现多元离子的分级传输和离子选择性的跨级传输，并展示这一技术在离电信号转换和生物离子神经调节方面的潜在应用。这种级联异质门控设计有望在神经拟态信号传输方面发挥重要作用，为实现生物-非生物系统的多元复杂信号通讯提供新的思路和方法。