在生物系统中，具有复杂形态和高度极化界面结构的神经网络可以支持不同神经元之间复杂生物离子/生物化学信号通信。这种结构和功能为设计新型离电器件、复刻类似神经系统中多变量离子或化学信号传输提供灵感，为实现对生理功能调控奠定基础。

  近年来，人工电子器件和离电器件已成为研究的热点之一。然而，与承载多种生物信号传输的生物神经网络相比，现有的大多数电子器件和离电器件仍受限于信号载体的单一性（即电子或单一离子），不能携带更多生物兼容的信息。这些器件的构建大多基于传统的门控/非门控材料，无法模拟多离子信号的共同传输，从而限制了它们在匹配生物组织中的特征信号表达。例如，对于基于水凝胶的离电器件，离子信号传输难以区分不同离子，从电子到多元离子信号的传输和处理仍然是一个巨大的挑战。

  近日，由中国青年科学家组成的学科交叉团队发展了一种具有级联异质界面的双相凝胶离电器件（Cascade-heterogated Biphasic-gel Iontronics，HBG），实现了从电子到多种离子信号的转换和传输（Fig.1）。相关成果以“Cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission”为题发表于《Science》上。

图1. 级联异质门控两相凝胶离电材料的结构和跨界面离子传输

  HBG具有相分离的异质网络结构，其中，水凝胶相可以存储和传输水合离子，有机凝胶相作为部分去水合离子的传输介质。在电场作用下，离子能够跨相传输，进而连续地经历部分去水合和再水合转换。因此，双相多界面引发了级联异质门控效应，决定了离子传输的迁移能垒。由于不同离子的本征特性，其水和-去水合能存在差异，不同价态阳离子（X+和Xn+）之间的跨界面传输存在数量级差异。更重要的是，基于级联异质门控效应，可对离子传输能垒进行排序和控制，实现从电子到多元离子的分级传输以及离子选择性跨级传输。在这项研究中，作者还通过HBG信号转换器件的神经体液离子传导，成功地调节了牛蛙心脏的心电活动。这种离电器件将有望加快各种生物技术应用的发展。

  文章的通讯作者为理化所/国科大江雷院士团队的赵紫光副教授和闻利平研究员，第一作者是理化所特别研究助理陈伟鹏，清华大学博士生翟麟鑫，首都医科大学张苏丽副教授和赵紫光副教授。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部的大力支持。

  （招生@合作贴士：该研究团队注重学科交叉，有意向者请联系zhaoziguang@ucas.ac.cn）

  原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adg0059