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一、縮小生物雙相術用【導讀】

生物系統中，無機具有復雜形態和高極性界面結構的界信級聯神經網絡可以支持不同神經元之間的復雜生物離子和生化信號通信。復雜神經網絡結構和功能激發了我們創造級聯控制體系的息障靈感，使其能夠實現類似神經元的異質于電多變量離子或化學信號傳輸，并與生理過程進行接口和調節。凝膠

近年來，離技人工電子和離子技術系統已經突破了無機和生物界面之間的縮小生物雙相術用信息障礙，引起了在生物傳感器、無機神經假肢和可植入仿生設備等方面的界信級聯廣泛關注。尤其是息障神經形態電子學，將可編程電脈沖信號直接用于生物界面，異質于電以調節生理活動，凝膠而離子技術則能夠在無機-生物系統中對固有離子和電信號進行單獨轉化。離技然而，縮小生物雙相術用與神經動作電位引起的多種生物信號傳輸相比，大部分電子和離子技術仍限于單種信號載體（電子或單離子），無法攜帶更多的生物兼容信息。由傳統門控或非門控材料構建的離子技術，甚至無法真實模擬多離子共運輸，從而限制了它們在匹配生物組織中的特征信號表達。離子電流信號傳輸甚至不能區分水凝膠離子技術中的各種離子。在離子技術領域，如何在水相生物環境中實現電子到多種離子的傳輸和處理仍然是一個挑戰。

二、【成果掠影】

目前，在無機-生物系統中，電子和離子技術只能使用電子和單種離子作為單一的信號載體。因此，這些設備需要一種多重生物信號的傳輸機制，以匹配和調節復雜的水相生物系統。本工作報道了采用級聯異質結雙相凝膠離子技術實現了多樣化的電子到多離子信號傳輸。級聯異質結的特性決定了離子在電場下的傳遞自由能障礙和離子的水合-脫水狀態，從根本上提高了不同離子之間跨界面傳輸的區分度。這種帶有可編程特性的異質結離子技術與多離子跨界面遷移性能相結合，可以實現層次和選擇性的跨階段信號傳輸。這些離子技術將成為各種生物技術應用的理想候選者。

中科院理化所聞利平教授和趙紫光博士等將此工作以“Cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission”為題發表在頂刊《Science》上。

三、【核心創新點】

1、一種異質結雙相凝膠離子技術器件。

2、能夠進行生物相容性的電子-離子信號處理和傳輸。

3、通過調節牛蛙心臟的心臟電活動進行了電子-離子信號傳輸。

4、推動無機-生物系統中進行生物相容性信號處理和傳輸。

三、【數據概況】

圖1.級聯異質雙相凝膠離子電子學的異質結構和跨界面離子傳輸。?2023 Science.

圖2.非門控水凝膠和級聯雜門雙相凝膠的離子傳輸特性。?2023 Science.

圖 3. 級聯雜門雙相凝膠的電子到多離子信號傳輸。?2023 Science.

圖 4. 生物離子神經體液調節。?2023 Science.

五、【成果啟示】

報道了一種級聯異質結離子技術，用于多種離子信號傳輸。這些凝膠集成了相反的二元相結構，形成了級聯離子轉移自由能壁壘，并與不同離子的水合-去水能量高度相關。主要的是，級聯異質結界面擴大和控制了離子轉移能量壁壘的分層差異，實現了多離子分層傳輸和離子選擇性跨階段傳輸。到目前為止，離子門控主要在一維或二維系統中體現；在這項工作中，開發了級聯策略，將離子門控機制擴展到三維離子系統，用于電子至多離子傳輸。大多數采用傳統離子門控或非門控的離子技術和電子器件在其潛在應用中難以有效處理多離子信號載體；然而，這些特性對于與復雜的生物系統接口匹配至關重要。基于HBG的離子技術不僅提供了高度兼容水相生物系統的多種生物離子信號，還提供了高級可編程信號傳輸功能，有利于在非生物-生物系統中進行各種生物信號的并行和多路傳輸。這些級聯異質結離子技術將作為可擴展至更生物功能載體和其他信號轉導機制的多樣平臺。同時，分析了這些級聯門控系統中多種信號交換的權重和耦合特性。盡管構建高性能人工神經網絡還有很長的路要走，但期望級聯異質結網絡將在硬件實現神經型門控特性時適用，同時提供更多的信號形態和處理。

原文詳情：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg0059