牛津大学张瑜伽一作+通讯，水凝胶再发《Science》！
学术
2024-12-06 09:01
广东
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研究背景
离子电子学是利用离子导电材料和设备进行信号传输和处理的技术，因其在非生物-生物界面、储能设备、神经假体和类脑计算等领域的广泛应用前景，成为了研究热点。然而，目前基于水凝胶的离子电子设备主要依赖于固态微型或纳米流体系统，电解质被限制在刚性固态通道中。这种系统在微型化、柔性化方面面临挑战，且生物兼容性不足，限制了其与软组织的集成应用，尤其在生物医用领域的广泛应用。有鉴于此，牛津大学Hagan Bayley教授和张瑜伽博士（一作兼通讯）在《Science》上发表题为“Microscale droplet assembly enables biocompatible multifunctional modular iontronics”的最新论文。他们提出了一种新型的自由悬浮微尺度水凝胶液滴自组装的离子电子模块，称为“滴液电子学（dropletronics）”。他们通过表面活性剂支持的丝素水凝胶液滴，成功地实现了离子电子器件的自组装。这些模块能够模拟p型和n型半导体的行为，制备出离子二极管、晶体管、可重配置的逻辑门及具有长期可塑性的合成突触。此外，研究还表明，滴液电子学设备能够与心肌细胞进行接口，检测其电信号，从而为微型生物离子电子系统的构建开辟了新途径。 研究亮点
（1）实验首次报道了基于纳升级丝素水凝胶液滴的离子电子学模块，称为“滴液电子学（dropletronics）”。这些模块通过表面活性剂支持的自组装方法构建，具有自由悬浮特性，不依赖流体通道，能够在非生物-生物界面上工作。
（2）实验通过化学修饰丝素蛋白，成功制备了阳离子选择性和阴离子选择性的水凝胶，并将其用作p型和n型半导体的离子类比物。这些水凝胶能够固定阴阳离子并保留可移动反离子，展现出良好的离子导电性和生物相容性。
（3）实验通过配置不同组合的水凝胶液滴，构建了多种离子电子器件，包括二极管、晶体管、可重配置逻辑门及具有离子聚合物介导长期可塑性的合成突触。
（4）研究进一步展示了滴液电子学设备能够与心肌细胞片接口，成功记录电生理信号，为生物离子电子系统的微型化提供了新的途径。图文解读
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图2：电子二极管的离子电流整流。 结论展望
到目前为止，离子电子学主要体现为固态系统，其多样性有限 。此外，固态离子电子系统的小型化具有挑战性，且其生物相容性不足。在本研究中，一组微尺度、模块化、柔性、生物兼容的滴液电子设备通过自组装自由悬浮的纳升级水凝胶液滴实现。通过蛋白质修饰赋予丝素水凝胶带电选择性，使得这些液滴具有类似于p型和n型半导体的性质。水凝胶液滴使得制造滴液电子二极管、晶体管、可重配置逻辑门和合成突触成为可能。微型滴液电子设备提供了卓越的离子传输控制、快速的时间响应和独特的类脑功能，如离子聚合物介导的长期可塑性。由于细胞信号使用离子传输，滴液电子学还可以作为生物兼容接口，将电子设备与生物系统连接，进行心脏活动的电生理信号感测，如本研究所示。为了进一步发展更复杂的滴液电子电路，微流控技术和三维液滴打印机可能为制造提供解决方案。实现滴液电子设备的长寿命是一个关键目标，使用无液体离子弹性体可能有助于延长离子导电性。为了实现复杂的逻辑功能，使用一系列滴液电子逻辑门将需要优化液滴的导电性，并集成更多的滴液电子晶体管，以抵消输出漂移并减少信号退化。当多个滴液电子模块集成时，离子滞后的积累及系统响应时间的增加也是需要考虑的因素，在这方面，进一步的小型化液滴可能提供解决方案。重要的是，我们并不认为滴液电子学会与超高性能的硅电路展开竞争，而是预见到滴液电子学与活体物质的集成，这将提供一种生物兼容的直接离子通信手段，包括同时识别多种重要的离子物质的可能性。Yujia Zhang et al. ,Microscale droplet assembly enables biocompatible multifunctional modular iontronics.Science386,10241030(2024).DOI:10.1126/science.adr0428
