牛津大学的研究人员在实现一种“生物电”的形式方面取得了重大进展，这种形式可以用于各种生物工程和医学应用，包括与活体人类细胞通信。该研究于11月28日发表在《科学》杂志上。
离子电子设备是生物化学工程中增长最快和最令人兴奋的领域之一。这些设备不是使用电力，而是通过离子（带电粒子）传输信息，模仿人脑的功能，包括钠、钾和钙离子。
最终，离子电子设备可以实现生物相容、节能且高度精确的信号系统，包括药物输送。然而，到目前为止，离子电子设备通常嵌入固体支架中，这阻碍了它们与软组织的整合。在这项新研究中，牛津大学的研究人员成功开发了由生物相容性水凝胶液滴构建的微型多功能离子电子设备。
这些水凝胶作为电子半导体的离子等效物，使离子运动可以像控制电子运动一样被控制。这些微小的微尺度液滴在表面活性剂（类似肥皂的分子）的帮助下组装，并在光触发下连接在一起（这是该团队开发的技术）。
研究人员将这些设备称为液滴电子学（dropletronics），即将液滴和离子电子学结合在一起。通过创建微尺度纳升水凝胶液滴的组合，团队生产了液滴电子二极管、晶体管、逻辑门和存储设备。
液滴电子设备的性能优于迄今为止开发的任何软离子电子设备，包括更高的效率和更快的响应时间。它们甚至可以与固态离子电子设备相媲美，且具有不嵌入硬基质的优势。
牛津大学化学系的张宇佳博士（Yujia Zhang）是这项研究的主要研究员，他表示：“离子比电子有许多优势，例如它们有不同的大小和电荷，这意味着它们可以并行实现多种功能。”
“通过引入大离子聚合物，我们展示了一种具有长期存储记忆的液滴电子设备，这是以前的离子电子方法未曾实现的，为神经形态应用提供了非常规途径。”
除了控制离子运动外，液滴电子设备还可以与细胞接口并记录来自它们的生物信号，因为这些设备和细胞使用相同的‘离子语言’。在这项研究中，研究团队使用这些设备生产了生物相容性传感器，以记录跳动的人类心肌细胞的电信号。
牛津大学拉德克利夫医学系心血管科学副教授克里斯托弗·托普费尔博士（Christopher Toepfer）表示：“这是第一个实验室制造的生物传感器，可以在培养皿中感知并响应人类心肌细胞功能的变化。”
“这一发现是朝着制造更复杂的生物设备迈出的令人兴奋的一步，这些设备将能够感知器官中的各种异常，并通过智能方式在体内输送药物作出反应。”
研究人员设想将液滴电子设备与活体物质整合，这将提供一种直接的离子通信生物相容方法，包括识别多种重要的离子和分子种类，这将在临床医学等多个领域开辟新的可能性。
液滴电子电路还可能为构建模仿神经元的离子逻辑系统提供途径，用于神经形态信息处理和计算。
牛津大学化学系的哈根·贝利教授（Hagan Bayley）是这项研究的组长，他表示：“张博士采用了一种极具创意的多学科方法，包括电化学、聚合物化学、表面物理和设备工程方面的内容，生产了首个微尺度‘液滴电子’设备。”
“这些结构的功能能力表明，它们可能很快就会发展成为具有在基础科学和医学中应用前景的实际设备。”
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