我们身体里没有电子芯片，却一刻不停地在处理信息。心脏的跳动、肌肉的收缩、大脑的思考，背后都是Na⁺、K⁺、Ca²⁺等离子在神经元之间穿梭传递信号。

现在，科学家想用同样“离子语言”与身体对话——不是通过电子，而是通过离子本身。

瑞士洛桑联邦理工学院张瑜伽教授与牛津大学Hagan Bayley教授在《Nature Reviews Bioengineering》发表综述，正式提出并系统梳理了“生物离子电子学（Bioiontronics）”这一新兴交叉领域。

为什么需要“离子语言”？

传统电子器件靠电子传输信号，虽然能记录脑电、心电，也能通过电极刺激组织，却难以分辨究竟是哪一种离子或生物分子在变化，更难像细胞一样精准调控特定分子的输运。

而生命天生就用离子说话。神经冲动、肌肉收缩、激素分泌，本质上都是Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl⁻以及多巴胺等小分子在传递信号。生物离子电子学的目标，就是让人工器件真正读懂并书写生命的离子语言。

Figure 1（概念图）

从离子通道到液滴电子学

综述系统梳理了该领域的基本机制和代表性器件。文章从细胞膜讲起——离子通道是能够开关的“分子闸门”，根据电压或化学信号选择性放行特定离子。当神经元受到刺激时，Na⁺通道开放，随后K⁺等离子接力推动，动作电位沿轴突传播。

在器件层面，研究人员正在构建多种人工离子界面：

读取端：

• 纳米孔芯片：通过分析皮安级离子电流变化，识别穿过孔道的DNA、蛋白质、代谢物
• 纳米移液管：经修饰后可插入细胞附近，对多巴胺、乙酰胆碱等神经递质进行局部检测
• 有机电化学晶体管：把离子浓度变化转化为可放大的电子电流，适合监测神经活动和生物标志物

写入端：

• 有机电子离子泵：把特定离子、神经递质或药物从储液池中“泵”到目标位置，几乎不引起局部液体体积变化
• 离子二极管与晶体管：由阴、阳离子交换膜组成，像电子芯片控制电子一样，对阳离子和阴离子的流向进行整流、放大和开关控制

Figure 2（器件原理图）

“液滴电子学”代表作

张瑜伽团队此前开发的微尺度液滴组装技术，是该领域的代表性突破之一。

通过将纳升级水凝胶液滴在表面活性剂油中组装，团队构建出：

• 离子二极管：实现离子电流整流，响应时间在亚秒范围内
• npn和pnp型离子晶体管：可模拟双极结晶体管行为，具有饱和、有源和击穿区
• 合成突触：通过聚-L-赖氨酸实现离子聚合物介导的长期可塑性，可模拟历史依赖性记忆
• 可重构逻辑门：“非”、“与”、“或”门，为离子信号处理提供了基础

更重要的是，这些液滴电子器件能直接记录来自人诱导多能干细胞来源心肌细胞的电生理信号，与活组织实现直接离子通讯，且不损害细胞活力。

Figure 3（液滴电子学）

从软电源到闭环系统

张瑜伽团队还受电鳗发电启发，开发了微型“液滴水凝胶电池”。通过水凝胶液滴之间的离子梯度产生能量，体积比此前设计缩小10⁵倍以上，功率密度提高680倍，可达约1300 W/m³。该装置已成功用于调节三维神经微组织和体外小鼠脑切片中的神经元网络活动。

展望未来，文章设想完整的闭环系统将整合供能、感知、控制、计算、通信和驱动模块——能够检测疾病信号、按需释放药物或调控神经活动，服务于干细胞心肌修复、神经再生、微型机器人等多种医学场景。

Figure 4（应用场景）

论文信息：Bioiontronics，Nature Reviews Bioengineering，2026，

DOI: 10.1038/s44222-026-00471-1

总结：

正式提出“生物离子电子学”交叉领域→系统梳理从离子通道到器件集成的基本机制→代表性液滴电子学实现二极管/晶体管/合成突触及心肌细胞记录→展望闭环诊疗与神经调控新范式。