水凝胶离子电子装置可以模拟生物功能并与生物进行通信。但是,根据模块化设计制造微型软离子电子器件尚未实现。
在此,
英国牛津大学
张瑜伽
教授和
Hagan Bayley
教授等人
报道了使用表面活性剂负载的自支撑微尺度水凝胶液滴组装来构建各种电离电子模块、电路和生物界面。丝素蛋白的化学修饰产生了一对带相反电荷的水凝胶,其液滴的各种组合的微尺度组装产生了离子电子二极管、
NPN
和
PNP
型晶体管以及各种可重构逻辑门。通过掺入聚(氨基酸),已经证明了一种基于液滴的合成突触,具有离子聚合物介导的长期可塑性。同时,本文的离子电子晶体管可以用作生物相容性传感器,记录来自人类心肌细胞片的电生理信号,为构建微型生物离子电子系统铺平道路。
相关文章以“
Microscale droplet assembly enables biocompatible multifunctional modular iontronics
”为题发表在
Science
上。
离子电子学领域正在迅速扩大,它在非生物
-
生物界面、储能设备、神经修复学和神经形态计算方面的应用前景广阔
。
基于水凝胶的离子电子器件因其高离子电导率、固有柔软性和生物相容性而被广泛研究。离子电子器件,包括二极管
、晶体管和功能电路,都是通过使用电荷选择性水凝胶来模拟
p
型和
n
型半导体的行为而制造的。然而,迄今为止生产的基于水凝胶的离子电子器件主要基于微或纳米流体系统,其中电解质被限制在固体通道内。用于流体的刚性支架所占据的大量空间和固态器件的复杂制造程序阻碍了它们作为离子电子模块的使用
,
对固态器件的依赖也限制了与软组织集成的可能性。
由水凝胶液滴制成的设备具有用于生产微型软离子电子组件的潜力,这些组件不拴在流体通道上(即独立存在),并且可以在非生物
-
生物界面上发挥作用。例如,通过将基于液滴的电源与活的神经微组织和小鼠脑切片直接连接,可以实现神经元活动的离子电流调节 。尽管离子电子学很重要,但在离子电子学领域,在基于液滴的系统中对离子传输和信号处理的有效控制尚未出现。
在这项工作中,
作者
报道了一组微型的、软离子电子模块,称为
dropletronics
,
通过表面活性剂支持的纳升丝质水凝胶液滴的自组装制成的。蛋白质修饰产生阳离子和阴离子选择性的丝水凝胶,其中阴离子或阳离子固定在保留移动反离子的丝素蛋白上,使它们成为
p
型和
n
型半导体的离子类似物(
图
1A
)。通过配置液滴的组合,
dropletronics
可用于生产基于液滴的二极管、晶体管、各种可重构逻辑门和具有离子聚合物介导的长期可塑性的合成突触。此外,
dropletronic
装置可以与心肌细胞片连接并检测来自它们的电信号。通过将丝素蛋白溶液与透明质酸
-
酪胺偶联物混合来制备阳离子选择性预凝胶溶液(
图
1B
)。阴离子选择性预凝胶溶液通过丝素蛋白与聚
-l-
赖氨酸和
1,3-
二甲基咪唑
-2-
羧酸盐的碳二亚胺偶联获得,遵循文献中记录的程序
,
修饰的蚕丝预凝胶显示出改变的紫外(
UV
)
-
可见光吸光度光谱(
图
1C
)
。
图
1
:用两个带电相反的丝水凝胶形成滴电子装置。