如需科研绘图，请联系微信：13258127967 / 17761269308
公司官网：http://lingjiangkeshi.com/
研究概述
仿生电子器件旨在弥合生物系统与传统电子器件之间的鸿沟。然而，由于分子设计中固有的权衡取舍，如何在保持传统电子器件的电性能和结构完整性的同时，复制生物组织的高动态适应性和功能可塑性仍然是一项极具挑战性的任务。为了解决这一问题，本文提出了一种受生物环境中离子特异性效应启发的可逆纳米相调控方法。得益于非共价相互作用对特定离子的动态响应，所开发的系统能够成功整合多种传统上相互矛盾的特性——将优异的电学/机械性能与卓越的可重构性相结合，例如导电通路的可重写性、具有良好空间分辨率的原位湿法焊接性以及闭环可回收性。该方法为设计用于人机集成和组织工程等生物电子应用的可重构器件提供了一个极具前景的框架。
该研究工作以“Highly reconfigurable neuronlike conductive networks through nanophase structure engineering”为题，发表在国际顶尖学术期刊《Nature Communications》上。
图1. Rec-CN 的设计和独特功能。
a. 神经回路和Rec-CN的示意图。大脑通过改变神经连接来编码和清除记忆。类似地，Rec-CN可以通过激光照射和盐处理进行重复的微图案化，而不会损害其结构完整性。b .示意图展示了CP-PVA有机凝胶在不同处理条件下纳米相结构和导电通路的演变。c - g. CP -PVA有机凝胶的数码照片，展示了其高机械韧性、导电通路的可重写性以及原位湿法焊接性。图e中的插图为导电通路的电路图。在f和g中，CP-PVA有机凝胶条被焊接到金属引脚（f）或自身（g）上，并用于在20 mA恒定电流下为发光二极管（LED）供电。
图2. 机械性能和电气性能的解耦。
图a为CP-PVA有机凝胶拉伸至原始长度10倍后的数码照片（比例尺=15 mm）。图b 、 c和d分别为不同CP含量（相对于PVA和CP的总质量）的CP-PVA有机凝胶的电导率、拉伸应力-应变曲线和性能比较（应变速率：200% min⁻¹）。图b中的数据以箱线图形式呈现，其中中心点、线和箱体边界分别表示均值、中位数和上下四分位数，须线从四分位数延伸至1.5倍四分位距（样本量=4）。图e和f为Ashby图，比较了CP-PVA有机凝胶与先前报道的水凝胶的韧性、应变和电导率。数据点来自补充图 10和补充表 3中提及的参考文献。g示意图展示了聚合物的互溶性和自聚集性之间的平衡。h、i和j分别为不同有机凝胶的温度依赖性傅里叶变换红外光谱 (FT-IR)、拉曼光谱和普通傅里叶变换红外光谱。k为p -CP-PVA 和 CP-PVA 有机凝胶的原子力显微镜 ( AFM )表征结果：高度图像（左图）、相位图像（中图）和隧道原子力显微镜 (TUNA) 模式下记录的隧道电流图像（右图）（比例尺 = 500 nm）。d、h-j 图中的数据以平均值±标准差(mean ± sd) 的形式呈现（样本量 = 4）。统计显著性评估采用双侧t 检验（用于两组之间的比较，b、i）和单因素方差分析 (ANOVA)（用于多组之间的比较，j ），显著性由p值确定。除非另有说明，否则此处使用的是固含量约为 50 wt%（相对于有机凝胶的总质量）且 CP 含量为 22 wt%（相对于 CP 和 PVA 的总质量）的 CP-PVA 有机凝胶。
图3. 有机凝胶的纳米相重构。
a . 根据离子处理后CP-PVA有机凝胶的电导率变化率对特定离子系列进行排序。b . CP -PVA有机凝胶经盐处理后的电导率（分别以Cl⁻和Na⁺作为抗衡离子）。c , d. CP-PVA有机凝胶在三种不同热力学状态之间的可逆调控。e .图谱（左图）以及根据19.5°处的10¹衍射峰计算的平均晶粒尺寸（右图）。右图中的数据以箱线图形式呈现，其中中心点、线和箱体边界分别表示均值、中位数和上下四分位数，须线从四分位数延伸至1.5倍四分位距（样本量=4）。f . CP-PVA有机凝胶在状态III下于环境条件下储存不同时间后的电导稳定性。g不同状态下CP-PVA有机凝胶的原子力显微镜(AFM)表征：高度图像（左图）、相位图像（中图）和隧道电流图像（右图）（比例尺 = 500 nm）。h不同CP含量CP-PVA有机凝胶在第一个开关循环中的电导开关比（状态I与状态III的电导比）。i以不同溶剂为分散介质制备的CP-PVA有机凝胶的电导开关比。b 、e 、f、h中的数据以平均值±标准差( n = 4)表示。两组间比较采用双侧t检验（ b、e（右图）），多组间比较采用单因素方差分析(ANOVA)（h图），显著性由p值确定。除非另有说明，本试验中使用的CP-PVA有机凝胶的固含量约为50 wt%（相对于有机凝胶的总质量），CP含量为22 wt%（相对于CP和PVA的总质量）。
图4. 导电走线的微图案化和重构。
a. CP-PVA有机凝胶（厚度：~75 μm）的数码照片，其上刻蚀有导电线（插图比例尺：5 mm）。b .激光照射后不同CP含量CP-PVA有机凝胶的电导率。c , d .交叉干涉测试：不同线间距（d ）的导电线在两个接触焊盘（ c中标记为a - d ）之间的电阻。e - g.均匀性测试：CP-PVA有机凝胶内导电线图案的示意图（e），导电线的数码照片（比例尺：20 mm）（f），以及分别在CP-PVA有机凝胶上下表面测量的不同长度导电线的电阻（g）。h、i可重构性测试：在CP-PVA有机凝胶中制备的导电走线阵列（白色虚线框出）的显微图像（比例尺，100 μm）（h）以及任意一对接触焊盘之间测得的电阻值汇总（i）。激光照射区域与未照射区域之间的界面：显微照片（j ）、原子力显微镜相位图像（k）以及在TUNA模式下记录的隧道电流图像（l）。m部分激光照射的CP-PVA有机凝胶在200% min⁻¹应变速率下的拉伸行为（比例尺，15 mm）。白色虚线框出的区域代表激光照射区域。b 、d和g中的数据以平均值±标准差（sd）的形式呈现，每个样本均在独立测量中进行了测试。使用双侧t检验评估两组之间的统计显著性（图d），显著性由p值确定。除非另有说明，本试验中使用的CP-PVA有机凝胶的固含量约为50 wt%（相对于有机凝胶的总质量），CP含量为22 wt%（相对于CP和PVA的总质量）。
图5. 可重构导电网络的共形焊接和闭环回收。
图a为CP-PVA有机凝胶与各种基材之间湿法焊接工艺的示意图。图b和图c分别为原始CP-PVA有机凝胶和由两块CP-PVA有机凝胶焊接而成的焊接样品的应力-应变曲线和电阻变化曲线。拉伸试验的应变速率为200% min⁻¹。图d展示了原位保形焊接的可行性。通过焊接两个CP-PVA有机凝胶环，形成了一个莫比乌斯环状结构。而水凝胶类似物在焊接过程中（采用常用的退火-再溶胀法）无法保持其结构。此外，CP-PVA有机凝胶在焊接到不锈钢半球上时，仍保持了其半球形几何形状（图e）。f、g： CP-PVA有机凝胶湿焊到铜基板（比例尺：3 cm）（f）以及CP-PVA有机凝胶粘附在铜、锡和金基板上的90°剥离测试（g）。h ： CP-PVA有机凝胶焊接到柔性PCB上。CP-PVA有机凝胶可通过激光照射进行空间图案化，从而实现多通道板对板连接。中间图比例尺：0.2 mm。i ：湿焊机理示意图。j ： CP-PVA有机凝胶的闭环回收。除非另有说明，本测试中使用的CP-PVA有机凝胶的固含量约为50 wt%（相对于有机凝胶的总质量），CP含量为22 wt%（相对于CP和PVA的总质量）。
图6. 可重构电子器件的演示。
a、b：通过ZIF连接器连接到传统刚性PCB的6通道有机凝胶或水凝胶基PCB的数码照片和模拟信号传输。c ：包含8对电极用于电生理信号记录的CP-PVA有机凝胶基数字腕带的数码照片。d ：在执行四种不同手势（手势I、II、III、V）期间，使用该有机凝胶基数字腕带记录的表面肌电信号（sEMG） ； e：通过计算每个通道的均方根（RMS）振幅，生成与四种手势对应的sEMG图。f：可重构的有机凝胶基电致发光（EL）器件的数码照片；g ： LED灯带的数码照片。EL器件和LED灯带分别由100 V、1 kHz的交流电压和20 mA的直流电流供电。图h为基于有机凝胶PCB的可拉伸电路模型数码照片，该电路模型用于音频播放，包含电阻器、电容器、开关、LED、扬声器和FLM038A集成电路（IC）。该音频播放器电路模型非常柔软，可在拉伸时工作。除非另有说明，本实验中使用的CP-PVA有机凝胶的固含量约为50 wt%（相对于有机凝胶的总质量），CP含量为22 wt%（相对于CP和PVA的总质量）。
该研究提出了一种利用动态非共价导电网络的可逆纳米相调控构建神经元模拟可重构生成电子器件的通用策略。具体而言，非共价导电网络的纳米相结构对特定离子表现出显著的响应，这种响应受热力学控制，从而可以可逆地调节其电学和力学性能。因此，这种基于有机凝胶的导电网络能够成功地将优异的电学性能与通常难以兼顾的多种附加特性相结合，例如：优异的力学性能、可重构的电导率、原位导电通路图案化、具有空间分辨率的原位焊接以及闭环可回收性。
凭借这些独特的特性，可以设计并利用类似神经组织的可重构印刷电路板，应用于可重构生物电子学和可持续电子学领域。此外，原位导电走线图案化和焊接功能的集成成功解决了凝胶基生物电子学领域长期存在的难题：在凝胶系统和传统刚性电子器件（例如集成电路和印刷电路板）之间实现稳健的多通道互连。本文展示了CP-PVA有机凝胶与商用柔性印刷电路板之间可靠的板对板连接，而这种连接方式使用传统的导电凝胶粘附策略难以实现。
最后，这项研究极大地加深了人们对导电凝胶纳米相微观结构演变的基本理解，更重要的是，阐明了离子驱动调制的潜在机制。本文提出的概念框架有望启发可重构仿生器件的开发，并有助于连接生物世界、水凝胶电子学和传统刚性电子学之间的界面。
Highly reconfigurable neuronlike conductive networks through nanophase structure engineering
First published: 25 December 2025
https://www.nature.com/articles/s41467-025-68088-3
部分封面作品展示
为中国药科大学陆老师合作，制作的科研可视化动画登录官网。在Science杂志上以"First Release”形式在线发表了题为Antiviral signaling ofa type ll CRISPR-associated deaminase的研究，该研究阐明了III型CRISPR系统通过生成环化腺苷第二信使激活下游效应脱氨酶来耗竭ATP，从而实现免疫的分子机制。
声明：本文仅供科研分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台处理。本文可能含有人工智能生成结论，不代表编辑观点，文中难免有所疏漏和谬误，恳请批评指正。只供参考与交流，如有侵权，后台请联系删！
科研绘图咨询
客服：13258127967
客服：17761269308
