У біологічних системах складні нейронні мережі з сильно поляризованими синаптичними інтерфейсами відповідають за обробку та передачу складних біосигналів. Натхненні нейронними міжфазними архітектурами стробування біосигналів дослідники під керівництвом професора Вен Ліпіна з Технічного інституту фізики та хімії Академії наук Китаю та професора Чжао Цзігуана з Університету Академії наук Китаю разом зі своїми співробітниками, розробили двофазну гелеву іонтроніку з каскадними гетероінтерфейсними властивостями для досягнення універсальної електронно-іонної передачі сигналу.
Електронні та іонні пристрої привернули значну увагу, оскільки вони долають комунікаційний розрив між абіотичними та біотичними інтерфейсами, знаходячи вирішальне застосування в нейронних електродах, нейропротезах та інтелектуальних імплантованих пристроях. Однак через монотонні та поодинокі електронні/іонні сигнали, які не можуть відповідати більш біосумісній інформації, найсучасніша електроніка та іононіка були обмежені.
Авторство: Вень Ліпін
Таким чином, складне розпізнавання та точний контроль різноманітних біоіонних сигналів у штучних пристроях для складних біологічних середовищ залишаються серйозною проблемою. У цьому дослідженні, імітуючи ієрархічні міжфазні механізми стробування нейронних мереж, дослідники розробили каскадно-гетерогенну двофазну гелеву (HBG) іонтроніку, яка полегшує різноманітну іонну передачу між середовищами.
За словами дослідників, HBG-матеріали були синтезовані за допомогою контрольованої стратегії полімеризації з роздільною фазою рідина-рідина, яка об’єднує збагачені іонами внутрішні фази з безперервною фазою з низькою провідністю. У процесі іонної передачі численні гетеро інтерфейси в матеріалах HBG відіграли вирішальну роль у визначенні бар’єрів вільної передачі енергії, з якими стикаються іони, та їхні стани гідратації-дегідратації. Це істотно посилило диференціацію в передачі між різними іонами на кілька порядків величини.
Таким чином може бути реалізована багатоіонна ієрархічна передача сигналу, яка сильно корелює з ієрархічною невідповідністю енергетичних бар’єрів іонного перенесення. Крім того, хімічно посилена система HBG, отримана з синергічної комбінації специфічних груп лігандів, була успішно сконструйована для селективної іонної між стадійної передачі сигналу.
Використовуючи цю систему, дослідники досягли успішної регуляції серцевої електричної активності сердець жаб-биків за допомогою різних біофункціональних нейро-гуморальних іонних сигналів, отриманих від іонного синапса на основі HBG.
Використовуючи переваги цього нового механізму іонного стробування та можливості програмованої іонної передачі, HBG iontronics може індукувати перетворення електронних вхідних сигналів у програмовані біоіонні сигнали для обслуговування різноманітних носіїв біозв’язку. Таким чином, очікується, що HBG iontronics зможе прискорити прогрес у різноманітних біотехнологічних додатках.