一作+通訊，水凝膠再發(fā)Science！
米測MeLab
納米人
2024-12-03
研究背景
離子電子學是利用離子導電材料和設備進行信號傳輸和處理的技術，因其在非生物-生物界面、儲能設備、神經(jīng)假體和類腦計算等領域的廣泛應用前景，成為了研究熱點。然而，目前基于水凝膠的離子電子設備主要依賴于固態(tài)微型或納米流體系統(tǒng)，電解質被限制在剛性固態(tài)通道中。這種系統(tǒng)在微型化、柔性化方面面臨挑戰(zhàn)，且生物兼容性不足，限制了其與軟組織的集成應用，尤其在生物醫(yī)用領域的廣泛應用。有鑒于此，牛津大學Hagan Bayley教授和張瑜伽博士（一作兼通訊）在《Science》上發(fā)表題為“Microscale droplet assembly enables biocompatible multifunctional modular iontronics”的最新論文。他們提出了一種新型的自由懸浮微尺度水凝膠液滴自組裝的離子電子模塊，稱為“滴液電子學（dropletronics）”。他們通過表面活性劑支持的絲素水凝膠液滴，成功地實現(xiàn)了離子電子器件的自組裝。這些模塊能夠模擬p型和n型半導體的行為，制備出離子二極管、晶體管、可重配置的邏輯門及具有長期可塑性的合成突觸。此外，研究還表明，滴液電子學設備能夠與心肌細胞進行接口，檢測其電信號，從而為微型生物離子電子系統(tǒng)的構建開辟了新途徑。 研究亮點
（1）實驗首次報道了基于納升級絲素水凝膠液滴的離子電子學模塊，稱為“滴液電子學（dropletronics）”。這些模塊通過表面活性劑支持的自組裝方法構建，具有自由懸浮特性，不依賴流體通道，能夠在非生物-生物界面上工作。
（2）實驗通過化學修飾絲素蛋白，成功制備了陽離子選擇性和陰離子選擇性的水凝膠，并將其用作p型和n型半導體的離子類比物。這些水凝膠能夠固定陰陽離子并保留可移動反離子，展現(xiàn)出良好的離子導電性和生物相容性。
（3）實驗通過配置不同組合的水凝膠液滴，構建了多種離子電子器件，包括二極管、晶體管、可重配置邏輯門及具有離子聚合物介導長期可塑性的合成突觸。
（4）研究進一步展示了滴液電子學設備能夠與心肌細胞片接口，成功記錄電生理信號，為生物離子電子系統(tǒng)的微型化提供了新的途徑。圖文解讀
結論展望
到目前為止，離子電子學主要體現(xiàn)為固態(tài)系統(tǒng)，其多樣性有限 。此外，固態(tài)離子電子系統(tǒng)的小型化具有挑戰(zhàn)性，且其生物相容性不足。在本研究中，一組微尺度、模塊化、柔性、生物兼容的滴液電子設備通過自組裝自由懸浮的納升級水凝膠液滴實現(xiàn)。通過蛋白質修飾賦予絲素水凝膠帶電選擇性，使得這些液滴具有類似于p型和n型半導體的性質。水凝膠液滴使得制造滴液電子二極管、晶體管、可重配置邏輯門和合成突觸成為可能。微型滴液電子設備提供了卓越的離子傳輸控制、快速的時間響應和獨特的類腦功能，如離子聚合物介導的長期可塑性。由于細胞信號使用離子傳輸，滴液電子學還可以作為生物兼容接口，將電子設備與生物系統(tǒng)連接，進行心臟活動的電生理信號感測，如本研究所示。為了進一步發(fā)展更復雜的滴液電子電路，微流控技術和三維液滴打印機可能為制造提供解決方案。實現(xiàn)滴液電子設備的長壽命是一個關鍵目標，使用無液體離子彈性體可能有助于延長離子導電性。為了實現(xiàn)復雜的邏輯功能，使用一系列滴液電子邏輯門將需要優(yōu)化液滴的導電性，并集成更多的滴液電子晶體管，以抵消輸出漂移并減少信號退化。當多個滴液電子模塊集成時，離子滯后的積累及系統(tǒng)響應時間的增加也是需要考慮的因素，在這方面，進一步的小型化液滴可能提供解決方案。重要的是，我們并不認為滴液電子學會與超高性能的硅電路展開競爭，而是預見到滴液電子學與活體物質的集成，這將提供一種生物兼容的直接離子通信手段，包括同時識別多種重要的離子物質的可能性。Yujia Zhang et al. ,Microscale droplet assembly enables biocompatible multifunctional modular iontronics.Science386,10241030(2024).DOI:10.1126/science.adr0428
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