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由于水凝胶具有较高的离子导电性、内在柔软性和生物相容性，使其不仅在生物医学领域广泛应用，还成为了电子器件、环境保护、神经调控等前沿领域的研究热点。近年来，离子电子学在非生物-生物界面、能量存储设备、神经假体和神经形态计算中具有广阔的应用前景，因此基于水凝胶的离子电子器件也得到了众多研究人员的青睐。它可以模拟生物功能并与生命物质进行通信。但是，根据模块化设计的微型软离子电子器件的制造尚未实现。
鉴于此，英国牛津大学Hagan Bayley教授和张瑜伽博士（一作兼通讯）报道了利用表面活性剂，支持了独立微米级水凝胶液滴自组装，构建各种离子电子模块、电路和生物界面。相关成果以“Microscale droplet assembly enables biocompatible multifunctional modular iontronics”为题发表在《Science》上。
值得注意的是，2023年8月30日，该团队开发了一种微型“液滴水凝胶电池”并发表在《Nature》上，而后又于2024年10月25日在《Nature Chemical Engineering》上报告了一种基于脂质支持的液滴组装的微型软体柔性锂离子液滴电池。近年来，Hagan Bayley团队一直专注于开发用于生物医学工程、软植入物和合成组织的多功能智能液滴系统，这也是其继《Nature》和《Nature》大子刊后的又一重大突破。
1.主要内容
图1 具有两个相反电荷的丝素水凝胶的液滴电子器件的形成
通过蛋白修饰，成功制备了阳离子选择性和阴离子选择性的丝素水凝胶，使其成为p型和n型半导体的离子类似物（图1A）。其中阳离子选择性水凝胶由丝素与透明质酸-酪胺偶联物混合制备，阴离子选择性水凝胶由丝素与聚-L-赖氨酸和1,3-二甲基咪唑- 2-羧酸盐的碳二亚胺偶联制备而成（图1B）。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。经修饰后的丝素蛋白水凝胶显示了紫外-可见吸收光谱和电荷选择性（图1C-1D）。将液滴水凝胶沉积在含有表面活性剂的油中，会在相互接触后几秒内形成界面双层，能够产生体积小至0.5 nl，直径小于100 mm的微尺寸液滴。并经紫外线照射后破裂建立离子传导途径，从而激活液滴电子器件（图1E-1F）。阳离子和阴离子选择性水凝胶的液滴组合制造出了模块化的液滴电子二极管和晶体管（图1G）。
图2 液滴电子二极管的离子电流整流
使用铂电极进行电压扫描表征液滴电子二极管的离子整流特性（图2A）。电流-电压曲线呈不对称分布，表明在正向偏置下的传导更高（图2B）。此外，使用表面活性剂支持的水凝胶液滴来构建液滴电子学有助于实现小型化。当液滴减小时，整流比增加，响应时间降低，该液滴二极管的整流性能优于已报道的宏尺度软离子电子二极管，并且与最好的固态离子电子二极管相当。同时，水凝胶脱水后会使液滴电子器件失活，但水化后可以重新激活电子器件（图2C）。
图3 液滴电子晶体管和可重构逻辑门
通过配置不同组合的水凝胶液滴构建了npn-和pnp-型液滴电子晶体管，npn-型晶体管由两个端部液滴作为集电极和发射极，中间的液滴作为基极。基极电流激活了阴离子传输，表现出了类似于电子双极结晶体管的三个操作区域，即饱和区、活动区和击穿区（图3A-3B）。pnp-型晶体管表现出了基于阳离子传输的特性。实验表明该晶体管能够快速开关，具有更高的效率和更快的响应（图3C-3E）。此外，液滴电子模块可以通过在无表面活性剂的油中进行亲水性吸引来连接多个离子电子设备，并且可以拆卸以形成其他连接。他们通过重新配置两个非门组装了逻辑门，一个非门由一个npn-型液滴电子晶体管与水凝胶液滴串联组成（图3F）。将两个模块串联或并联时，可以产生and或or门。这些门具有快速的响应时间，能够与固态电子逻辑电路相媲美（图3H-3K）。液滴逻辑电路为构建用于仿生信息处理和计算的离子逻辑系统提供了可能。
图4 基于液滴的合成突触
受生物突触的启发，他们开发了一种能够模拟生物突触可塑性的合成突触（图4A）。合成突触由一个npn-型液滴晶体管和一个与基极液滴相连的条件液滴组成。集电极、基极和发射极液滴分别模拟了突触前神经元、突触裂隙和突触后神经元（图4B）。通过控制聚-L-赖氨酸的移动展示了突触的可塑性，即增强和抑制，并且由于聚-L-赖氨酸链的缠结和在丝素蛋白网络中的缓慢扩散产生了长期可塑性（图4C-4E）。综上结果表明长期可塑性可以通过调节离子大小实现，而以前的离子电子方法尚未实现这一点，这也为神经形态应用研究提供了一种非传统的调节途径。
图5 液滴电子学的电生理记录
为了研究液滴电子学与水基生物环境中的生理活动交互和记录的能力，他们将50纳升液滴组成的npn-型液滴晶体管封装在一种可逆的热凝胶中，制成了便携式液滴电子器件（图5A-5B）。首先，实验表明该电子器件具有良好的生物相容性（图5C）。其次，将液滴电子器件放在由人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞上，能够记录自发心脏活动的电生理信号，并在较长时间内具有稳定的信噪比（图5D-5G）。
2.全文小结
综上所述，该研究通过纳米级水凝胶液滴自组装具有微尺度、模块化、柔性、生物相容性的液滴离子电子模块，并将液滴电子学与生命物质相整合，提供了一种生物相容的直接离子通信途径，为构建微尺度的生物离子电子系统提供了一种新策略。
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