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一、縮小生物雙相術(shù)用【導(dǎo)讀】

生物系統(tǒng)中，無(wú)機(jī)具有復(fù)雜形態(tài)和高極性界面結(jié)構(gòu)的界信級(jí)聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以支持不同神經(jīng)元之間的復(fù)雜生物離子和生化信號(hào)通信。復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能激發(fā)了我們創(chuàng)造級(jí)聯(lián)控制體系的息障靈感，使其能夠?qū)崿F(xiàn)類似神經(jīng)元的異質(zhì)于電多變量離子或化學(xué)信號(hào)傳輸，并與生理過(guò)程進(jìn)行接口和調(diào)節(jié)。凝膠

近年來(lái)，離技人工電子和離子技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)突破了無(wú)機(jī)和生物界面之間的縮小生物雙相術(shù)用信息障礙，引起了在生物傳感器、無(wú)機(jī)神經(jīng)假肢和可植入仿生設(shè)備等方面的界信級(jí)聯(lián)廣泛關(guān)注。尤其是息障神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)，將可編程電脈沖信號(hào)直接用于生物界面，異質(zhì)于電以調(diào)節(jié)生理活動(dòng)，凝膠而離子技術(shù)則能夠在無(wú)機(jī)-生物系統(tǒng)中對(duì)固有離子和電信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)轉(zhuǎn)化。離技然而，縮小生物雙相術(shù)用與神經(jīng)動(dòng)作電位引起的多種生物信號(hào)傳輸相比，大部分電子和離子技術(shù)仍限于單種信號(hào)載體（電子或單離子），無(wú)法攜帶更多的生物兼容信息。由傳統(tǒng)門控或非門控材料構(gòu)建的離子技術(shù)，甚至無(wú)法真實(shí)模擬多離子共運(yùn)輸，從而限制了它們?cè)谄ヅ渖锝M織中的特征信號(hào)表達(dá)。離子電流信號(hào)傳輸甚至不能區(qū)分水凝膠離子技術(shù)中的各種離子。在離子技術(shù)領(lǐng)域，如何在水相生物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電子到多種離子的傳輸和處理仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

二、【成果掠影】

目前，在無(wú)機(jī)-生物系統(tǒng)中，電子和離子技術(shù)只能使用電子和單種離子作為單一的信號(hào)載體。因此，這些設(shè)備需要一種多重生物信號(hào)的傳輸機(jī)制，以匹配和調(diào)節(jié)復(fù)雜的水相生物系統(tǒng)。本工作報(bào)道了采用級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)雙相凝膠離子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多樣化的電子到多離子信號(hào)傳輸。級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)的特性決定了離子在電場(chǎng)下的傳遞自由能障礙和離子的水合-脫水狀態(tài)，從根本上提高了不同離子之間跨界面?zhèn)鬏數(shù)膮^(qū)分度。這種帶有可編程特性的異質(zhì)結(jié)離子技術(shù)與多離子跨界面遷移性能相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)層次和選擇性的跨階段信號(hào)傳輸。這些離子技術(shù)將成為各種生物技術(shù)應(yīng)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(fā)表在頂刊《Science》上。

三、【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

1、一種異質(zhì)結(jié)雙相凝膠離子技術(shù)器件。

2、能夠進(jìn)行生物相容性的電子-離子信號(hào)處理和傳輸。

3、通過(guò)調(diào)節(jié)牛蛙心臟的心臟電活動(dòng)進(jìn)行了電子-離子信號(hào)傳輸。

4、推動(dòng)無(wú)機(jī)-生物系統(tǒng)中進(jìn)行生物相容性信號(hào)處理和傳輸。

三、【數(shù)據(jù)概況】

圖1.級(jí)聯(lián)異質(zhì)雙相凝膠離子電子學(xué)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和跨界面離子傳輸。?2023 Science.

圖2.非門控水凝膠和級(jí)聯(lián)雜門雙相凝膠的離子傳輸特性。?2023 Science.

圖 3. 級(jí)聯(lián)雜門雙相凝膠的電子到多離子信號(hào)傳輸。?2023 Science.

圖 4. 生物離子神經(jīng)體液調(diào)節(jié)。?2023 Science.

五、【成果啟示】

報(bào)道了一種級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)離子技術(shù)，用于多種離子信號(hào)傳輸。這些凝膠集成了相反的二元相結(jié)構(gòu)，形成了級(jí)聯(lián)離子轉(zhuǎn)移自由能壁壘，并與不同離子的水合-去水能量高度相關(guān)。主要的是，級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)界面擴(kuò)大和控制了離子轉(zhuǎn)移能量壁壘的分層差異，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中體現(xiàn)；在這項(xiàng)工作中，開(kāi)發(fā)了級(jí)聯(lián)策略，將離子門控機(jī)制擴(kuò)展到三維離子系統(tǒng)，用于電子至多離子傳輸。大多數(shù)采用傳統(tǒng)離子門控或非門控的離子技術(shù)和電子器件在其潛在應(yīng)用中難以有效處理多離子信號(hào)載體；然而，這些特性對(duì)于與復(fù)雜的生物系統(tǒng)接口匹配至關(guān)重要。基于HBG的離子技術(shù)不僅提供了高度兼容水相生物系統(tǒng)的多種生物離子信號(hào)，還提供了高級(jí)可編程信號(hào)傳輸功能，有利于在非生物-生物系統(tǒng)中進(jìn)行各種生物信號(hào)的并行和多路傳輸。這些級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)離子技術(shù)將作為可擴(kuò)展至更生物功能載體和其他信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的多樣平臺(tái)。同時(shí)，分析了這些級(jí)聯(lián)門控系統(tǒng)中多種信號(hào)交換的權(quán)重和耦合特性。盡管構(gòu)建高性能人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還有很長(zhǎng)的路要走，但期望級(jí)聯(lián)異質(zhì)結(jié)網(wǎng)絡(luò)將在硬件實(shí)現(xiàn)神經(jīng)型門控特性時(shí)適用，同時(shí)提供更多的信號(hào)形態(tài)和處理。

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