电离电材料开始向人们展示生命信号是如何与电子学相结合的。詹姆斯·厄克特采访了正在探索这一新兴领域的科学家

每一秒,电流都流经生物体柔软、灵活、充满水的细胞。这种电使我们能够思考、移动和体验世界,这要归功于离子:携带正电荷或负电荷的原子和分子。当我们的感官受到刺激时,离子就会被触发,在蛋白质通道的精确控制下,穿过细胞膜,产生电流,沿神经向大脑发出信号。

相反,电子设备——智能手机、电脑、显示器,你能想到的都有——依赖于负电子和嵌在刚性材料中的金属线上的正极空穴相互作用产生的电。看起来离子和电子电路以及材料是两个截然不同的世界。但在某种程度上,离子和电子已经在某些设备中共存了几十年,比如电池、超级电容器和电化学电池。这些都依赖于离子和电荷的相互转换。然而,新的是离子信号和电子信号正越来越多地与柔韧的导电聚合物结合在一起,这种聚合物被称为“离子电子”材料。

自然界只有一种类型的电子,但几乎有无限数量的离子

“在过去二十年左右的时间里,人们开始意识到离子提供了产生非常规效果的机会,”美国马萨诸塞大学研究软聚合物材料的瑞安·海沃德说。“自然界只有一种电子,但几乎有无限个离子。这意味着功能可以附着在离子上,从而影响材料的光学特性、表面能甚至生物活性。”

越来越多的研究揭示了离子和电子的世界是如何融合的,这让我们得以一窥未来几年生物与机器的融合会是什么样子。离子电子材料可以以类似生命的方式对环境变化做出反应,这可能是人与机器融合的关键一步。这种技术最终可能会导致从仿生软体机器人、智能可穿戴传感器和半机械人组织一直到人机界面、电子植物和生物分子的数字控制的任何东西。那么,研究人员是如何将离子和电子结合在一起的呢?

脑电波

“在某种意义上,我们想教电子学一门外语:离子的语言,”英国剑桥大学研究脑接口生物电子学的乔治·马利亚拉斯(George Malliaras)说。他说,我们的经营环境对电子产品来说非常陌生。混合导体材料可以实现生物世界和微电子世界之间的转换和交流。”

近年来,一种混合导体得到了广泛的应用,它是一种柔性的、生物相容性的导电聚合物,被称为Pedot,或聚(3,4-乙烯二氧噻吩),掺有PSS或聚苯乙烯磺酸盐。Pedot部分提供了共轭聚合物的导电性,而PSS允许离子传输。在离子导体和电子导体之间的内部界面上形成双重电层,本质上允许信号耦合。

Malliaras的团队已经开发了Pedot:PSS薄膜设备,以寻找新的疗法和治疗脑损伤和疾病。作为BrainCom-一个欧盟合作研究项目,开发神经假体设备,以恢复患者的沟通- Malliaras致力于微创混合导体电极和晶体管,用于使用电皮质描写术(ECoG)将大脑信号解码为语音。

如果你在大脑中植入一个设备,你现在已经通过了血脑屏障

ECoG通常使用毫米宽的金属电极来记录来自许多神经元的平均信号。这种电极用于语言障碍患者,包括患有闭锁综合症的患者。通过将它们放在大脑皮层处理语言的部分,并要求患者想象单词,由此产生的ECoG录音可以由计算机算法处理,以预测单词并通过语音合成器发出声音。

但是像Malliaras这样使用混合导电聚合物的系统,电极可以小得多——只有几微米宽——并且可以精确地放置在大脑表面以捕捉单个神经信号,这代表了ECoG的新功能。目前,malarias的电极正在进行临床前试验,它可以使语音产生的质量有一个巨大的飞跃。它们还可以为用户大脑控制的假肢和外骨骼提供更好的神经连接。

然而,除了转换离子信号,Malliaras还想使用可植入的离子装置来输送药物——其中许多药物可能是离子形式的——这种装置通过电泳将离子泵入电场中。”在大脑中给药是个挑战因为你有血脑屏障,阻挡了我们现有的98%的药物。”“如果你在大脑中植入一个设备,你现在就越过了血脑屏障,所以,突然之间,你可以使用更大范围的药物。”

更重要的是,由于这种设备可以直接将药物输送到受影响的区域,因此只需要少量的药物。这意味着那些通常毒性太大而不能全身注射的药物,例如进入血液,现在可以使用了。Malliaras及其同事最近设计了一种微流控离子泵装置,可以模仿细胞内的突触转移,将药物离子从储存器转移到大脑。他们证明它可以阻止和预防老鼠的癫痫发作(https://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaau1291)。Malliaras说,这个概念现在被扩展到用化疗药物靶向脑肿瘤。

植物体

类似的离子泵装置也被用于与工厂通信和控制。去年,瑞典Linköping大学的Eleni Stavrinidou和同事成功植入了人体生物电子装置首次被植入活体植物.有机电子离子泵是基于微小的玻璃毛细管纤维,并被植入烟草植物叶片的软组织。

图为玫瑰超级电容器

来源:©Thor Balkhed/Linköping University

Eleni Stavrinidou的团队在玫瑰的木质部中培育了水凝胶聚合物线,并将这种植物变成了晶体管和电容器

这使得研究人员能够在细胞水平上精确地控制和传递纯脱落酸离子(一种自然调节植物对胁迫反应的激素)到叶片中。这一结果为激素如何触发叶片中负责光合作用和蒸腾作用的气孔的关闭提供了新的见解。

斯塔夫里尼杜说:“了解植物对环境压力的反应很重要,尤其是在气候变化的时期,我们有很多干旱、高温或极端天气现象。”“我们希望通过我们的技术可以进行更多的动力学和动态研究,以更好地了解植物生理学。”“这样做可以帮助优化作物生长或指导基因改造,以改善植物利用水分的方式。”

不过,对斯塔夫里尼杜来说,将电子产品与植物结合并不是什么新鲜事。2015年,她和同事们用一种导电pedot材料将玫瑰变成了活的电子电路。为了达到这一目的,他们给切下来的植物注入了含有这种聚合物的溶液。一旦进入植物,输送水分的木质部就会提供一个管状模板,而它的生化反应将聚合物组织成茎中的水凝胶状电线。

此后,该团队通过设计一种新的水溶性低聚物ETE-S进一步发展了这一点,这种低聚物使用EDOT的功能单元(Pedot的单体单元)作为外部端基插入到噻吩丁酸中。研究小组发现,由于ETE-S的分子尺寸小聚合并分布到玫瑰木质部的每个部分,这样,整个植物——从根到花或叶——就用导线连接起来了。它通过触发催化循环来实现这一点,通常在植物中产生木质素以提供结构支撑。通过侵入这一生化途径,ETE-S利用过氧化物酶催化其聚合,与细胞壁结合

由于电子导电性和离子导电性之间的相互作用,研究人员表明,植物可以变成晶体管和超级电容器,可以以离子电荷的形式存储能量。需要进一步的工作来稳定电荷,但这是一个有趣的概念验证。斯塔夫里尼杜解释说:“我们现在正在研究如何从植物中以糖的形式获取能量,并将其转化为电能。”

这一概念可能会成为能量收集技术的基础,利用植物,甚至是树木,作为生物工厂来储存和分配能量。与此同时,ETE-S可以在工厂内部建造传感器和传输设备,用于电子调节。斯塔夫里尼杜说:“很难预测它将走向何方——有很多新的方向有待探索。”

柔软有弹性

组织和器官本质上是由水凝胶组成的——想想豆腐或明胶——本质上是含有固体状聚合物网络的离子溶液。合成水凝胶最早是在20世纪60年代发明的,此后被广泛应用于隐形眼镜、高吸水性一次性尿布,以及最近的人造组织。然而,研究人员已经开始使用Pedot:PSS等导电聚合物使它们具有导电性。由于具有生物相容性、自愈性、透明和弹性,这些材料在许多应用领域都很受欢迎,包括人造肌肉、皮肤和突触、可重写显示器和柔性电池。

然而,在高导电性、生物相容性、坚固性和拉伸性之间取得完美的平衡是很难实现的。一个属性往往会失去其他属性,这对实际应用来说是一个严重的限制。但像新加坡南洋理工大学生物材料研发专家陈晓东这样的研究人员正在努力克服这些挑战。

陈最近开发了坚韧的橡胶状离子电子水凝胶线由坚硬而致密的聚乙烯醇(PVA)水凝胶制成,可提供机械强度。在氯化钠溶液中浸泡后,将其嵌入生物相容性羟丙基纤维素纤维,以增强离子导电性,同时调节机械性能。通过改变纤维素纤维的比例和盐浸泡水平,可以很容易地调整所需的机械和电气性能;例如,模拟一种特定类型的组织。

研究人员通过3D打印一只机械手并在其食指中插入一根水凝胶丝来测试它是否是人工韧带。即使当机器人手指弯曲时,导线被拉伸,它仍能继续提供电流,点亮指尖的LED。“这意味着它可以在扩张的情况下传递稳定的交流信号,保证了对肌肉运动的持续监测,”陈解释道。它也可以作为人工神经工作,正如该团队所展示的那样,他们将压力传感器集成到指尖,以模拟触觉感知的神经过程。它展示了由于手指弯曲,当水凝胶被拉伸到不同程度时,LED中产生的不同触摸信号。

但离子电子水凝胶总是需要某种形式的电子传导来无缝连接到外部设备。这通常意味着在水凝胶中添加额外的刚性材料,从而进一步降低水凝胶的柔软性和可拉伸性。陈通过开发来解决这个问题一种水凝胶弹性体杂化材料类似于连接软肌腱和硬骨的结缔组织。其结果是高度可拉伸的电极,弥合了软离子电子学和刚性电子学之间的差距。

该杂化材料包括含有导电金纳米膜的热塑性聚氨酯多孔弹性体网。通过将其浸泡在水凝胶前驱体中并加热固化,它就产生了机械柔软、自粘和高导电性的电极。Chen说:“作为概念证明,我们证明了这种混合电极可以作为皮肤电极,具有高保真度,用于记录包括肌电信号和心电图在内的电生理信号。”

固态

但是,尽管水凝胶显示出很大的希望,它们也有其他缺点。它们的寿命和可靠性容易受到液体电解质蒸发以及潜在泄漏的影响,这在设计为拉伸或变形的设备中特别容易发生。

播撒离子弹性体的图像

来源:©Hyeongjun Kim和Ryan Hayward

离子弹性体可以传导正离子或负离子,类似于p型和n型半导体,并且有一天可以以类似的方式使用

然而,海沃德和他的同事们有不同的方法。他们开发了完全固态的可拉伸离子导电弹性体(或称离子弹性体),而不是水凝胶;不需要液体电解质。他说:“我们的材料依赖于带电聚合物的软网络,其中反离子是唯一可移动的物种。”“此外,我们的设备在运行时不需要任何电化学反应,这可以缓解设备长期不稳定的问题。”

这个团队制造了两种离子弹性体-聚阴离子和聚阳离子-类似于橡皮筋或莱卡线。在聚阴离子中,带负电荷的硫酸盐基固定在弹性体链上,而正的咪唑反离子可以随浓度梯度或电场的变化而自由移动。在聚阳离子中,这是相反的-负离子是固定的,而正离子可以移动。

这意味着每个离子弹性体只传导正电荷或负电荷,类似于分别传输空穴和电子的p型和n型半导体。发现这一点后,海沃德的团队开始研究离子弹性体是否可以形成类似于电子电路组件的离子器件。研究人员发现,当两个相反的弹性体层结合在一起形成一个结时,它们的行为就像一个二极管,允许电流向一个方向通过,而不是另一个方向。他们还通过在两个聚阴离子层之间夹一个聚阳离子层来制造晶体管,这种聚阴离子层可以切换电流。这种设备可以形成类似电子计算的离子数字逻辑和存储器的基础。

海沃德说:“就速度或空间密度而言,离子可能永远无法与电子竞争,但使用离子在材料中传输信号和进行计算有许多可能的优势。”“这些设备在变形时仍能继续工作,但它们的特性会发生变化,这意味着可能有一些有趣的方法可以利用力学和离子响应之间的耦合来开发新型传感器或控制元件。”“更重要的是,研究小组意外地发现,当离子弹性体被拉伸和压缩时,会产生电子输出信号,这表明它可以用来从我们自己的运动或周围环境中获取机械能。”

然而,Hayward对离子弹性体的另一个意想不到的特性特别感兴趣:电粘附性。他的实验室的最新的研究表明,相反的离子弹性体可以在低至一伏特的情况下可逆而迅速地粘在一起。考虑到其他电子粘合剂通常在1000V左右工作,这是一个巨大的差异,这存在安全问题,需要专门的电路元件,并可能导致灾难性的故障。海沃德的发现为安全、高效和坚固的致动器系统提供了希望,可以使软体机器人处理精致的物体。

这样的应用可能还很遥远,对离子电子学来说还处于早期阶段。但是电子学这个词在20世纪40年代才开始使用。如果按照目前电离电子材料的发展速度,谁知道它们最终会实现什么样的模拟生命的技术呢?

海沃德说:“目前还很难说这些材料最终会走向何方——我们开始这项工作主要是出于好奇心,想看看我们是否能开发出一种新型软离子导电器件。”“但我认为,在电子设备刚问世的时候,没有人能预测到会发生什么,所以我认为,在未来几年,我们会看到这些材料的一些真正了不起的新应用。”

詹姆斯·厄克特是英国爱丁堡附近的科学作家