水凝膠離子電子器件可以模擬生物功能并與生物體進行通信。但是，根據模塊化設計制造微型軟離子電子器件尚未實現。

在這項工作中，牛津大學Hagan Bayley教授和張瑜伽博士（一作兼通訊）報告了使用表面活性劑支持的獨立微尺度水凝膠液滴組裝來構建各種離子電子模塊、電路和生物界面。絲素蛋白的化學改性產生了一對帶相反電荷的水凝膠。各種組合的水凝膠液滴的微尺度組裝產生了離子電子二極管、npn和pnp型晶體管以及各種可重構邏輯門。通過加入聚氨基酸，他們展示了一種基于液滴的合成突觸，具有離子聚合物介導的長期可塑性。此外，該離子電子晶體管可以用作生物相容性傳感器，記錄來自人類心肌細胞片的電生理信號，為構建微型生物離子電子系統鋪平了道路。相關研究成果以題為“Microscale droplet assembly enables biocompatible multifunctional modular iontronics”發表在最新一期《Science》上。

值得一提的是，2024年10月25號，牛津大學Hagan Bayley教授、Ming Lei博士和張瑜伽博士（一作兼通訊）通過沉積由脂質支撐的納升水凝膠液滴網絡，利用內部離子梯度產生能量，開發出一種微型軟電源。與最初的鰻魚啟發設計（2023年的nature）相比，該方法可以將動力裝置的體積縮小105倍以上，而且可以儲存能量超過24小時，從而可以按需運行，功率密度提高了680倍，達到約1300Wm-3。本文的液滴裝置可作為生物相容性和生物離子電流源，用于調節三維神經微組織和體外小鼠腦切片中的神經元網絡活動。最終，軟性微尺度離子電子裝置可能會集成到生物體內。相關研究成果以題為“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity”發表在最新一期《Nature Chemical Engineering》上。

早在2023年8月30號，張瑜伽博士以第一作者兼通訊作者的身份，以“A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity” 為題在《Nature》上發表了一篇論文。他們受電鰻發電啟發，開發了一種微型“液滴水凝膠電池”，通過水凝膠液滴之間的離子梯度來產生能量，可用于為集成到人體組織中的微型設備供電。這項工作解決了如何將柔軟的生物相容性設備產生的刺激與活細胞耦合的重要問題。對生物混合接口、植入物和微型機器人等設備的潛在影響是巨大的。

【液滴電子學的設計和制造】

圖A展示了半導體的離子類似物，描述了改性水凝膠的電荷選擇性。作者介紹了使用蛋白質修飾來定制水凝膠液滴，以創建類似于p型和n型半導體的陽離子和陰離子選擇性變體。圖1B詳細介紹了陽離子和陰離子選擇性水凝膠的化學結構。陽離子選擇性水凝膠是通過透明質酸-酪胺結合形成的，而陰離子選擇性水凝膠則涉及聚-L-賴氨酸和1,3-二甲基咪唑鎓-2-羧酸鹽。液滴沉積到含有表面活性劑的油中，接觸后形成界面雙層（DIB）。這些雙層作為初始屏障，隨后通過紫外線交聯破裂，形成導電網絡。圖1C，D顯示紫外可見吸收光譜和zeta電位測量，確認修改成功。作者進一步可視化液滴組裝、交聯以及集成到二極管和晶體管等功能模塊中（圖1E-G）。總的來說，該圖建立了制造液滴電子學的基本流程，展示了可擴展性和模塊化的潛力。

圖 1. 用兩種帶相反電荷的絲水凝膠形成液滴電子裝置

【水滴電子二極管】

液滴電子二極管由陽離子和陰離子選擇性液滴構成，表現出類似于雙極結二極管的整流行為。電流-電壓(IV)曲線顯示了整流作用，在正向偏壓下由于離子積累而增強了傳導，而在反向偏壓下由于離子耗盡而抑制了傳導。亮點在于：液滴體積小型化至 0.5 納升，提高了整流率，同時保持快速響應時間。設備通過補水方法表現出抗脫水能力，從而延長使用壽命。圖2A描繪了創建離子整流異質結的設置。IV曲線顯示不對稱傳導（圖2B）。通過交替偏差下的整改動態，強調快速響應和可恢復性（圖2C）。

圖 2. 通過液滴電子二極管進行離子電流整流

【液滴電子晶體管和邏輯電路】

液滴電子晶體管模擬雙極結晶體管，具有由適當的水凝膠組合形成的npn和pnp配置。該研究展示了類似晶體管的行為，包括飽和區、有源區和擊穿區。集成到電路中有助于邏輯運算，例如“非”、“與”和“或”門。實驗顯示：電流放大和快速開關，響應時間在亞秒范圍內。npn 型晶體管：中心液滴（基極）調節集電極和發射極液滴之間的離子傳輸。基極電流 (IBE) 的控制允許晶體管在飽和區、有源區和擊穿區工作。pnp 型晶體管：與 npn 晶體管類似，但極性相反，可實現互補功能。邏輯門：使用非門作為模塊，組裝與門和或門等可重構電路。這些門具有快速響應時間（亞秒級）和低能耗，使其適合離子信號處理。

圖 3. 液滴電子晶體管和可重構邏輯門

【用液滴電子學模擬突觸可塑性】

受生物突觸的啟發，該研究開發了包含聚L-賴氨酸的液滴電子合成突觸來模擬突觸可塑性。調節液滴通過可逆的增強和抑制來調節突觸重量，這是通過控制聚-L-賴氨酸運動來實現的。長期可塑性歸因于聚-L-賴氨酸鏈的纏結和緩慢擴散。增加聚-L-賴氨酸的分子量可以增強可塑性，但會降低擴散速率，從而平衡記憶強度和響應時間。合成突觸可以模仿歷史依賴性記憶和動態調制，為神經形態應用鋪平道路。

圖 4. 基于液滴的合成突觸

【用于電生理記錄的液滴電子】

液滴電子設備展示了其作為記錄電生理信號的生物相容性傳感器的實用性。有機凝膠封裝可保護器件，同時保持對毫伏范圍輸入的靈敏度。首先，該設備不會損害細胞活力，通過活死染色和代謝測定進行驗證。其次，能夠檢測來自人誘導多能干細胞（iPSC）來源的心肌細胞的電生理信號，并在較長時間內具有穩定的信噪比。與活組織整合：展示直接離子通訊，橋接非生物設備和生物系統。這些結果凸顯了液滴電子學在生物界面和實時生理監測方面的潛力。

圖 5. 通過液滴電子進行電生理記錄

【總結】

液滴電子代表了離子電子技術的變革性一步，提供了前所未有的可擴展性、功能性和生物相容性。通過模擬電子設備和生物過程，它連接了非生物和生物系統。未來的發展將側重于提高設備壽命、電路復雜性以及與生物體的無縫集成。

來源：高分子科學前沿