水凝胶基仿生离子通道及其智能离子传输

doi:10.7503/cjcu20220772

摘要/Abstract

摘要：

离子可控传输是维持众多正常生理活动的重要基础, 而实现可控离子传输的关键是生命体系中的各类蛋白质离子通道. 受此启发, 科研工作者开发了一系列仿生智能离子通道, 实现了类似生命体中的可控离子传输. 其中, 基于水凝胶体系的离子通道由于其空间荷电性和三维互通特性, 展现出高离子选择性和高离子通量的优点. 同时, 水凝胶基离子通道的生物相容性、可形变特性及稳定的离子储存特性, 使其成为智能离子传输领域的研究热点之一, 该类材料已被广泛应用于离子-电子电路、医疗健康、能源转化与存储以及资源与环境等领域. 本文主要从水凝胶基智能离子通道的构筑方法出发, 阐述了凝胶内部离子传输机制, 并对其在各领域的应用进行了总结, 最后对目前水凝胶基离子通道存在的问题及未来发展趋势进行了展望.

关键词: 仿生离子通道, 水凝胶, 智能材料, 离子传输

Abstract:

The controllable ion transport is the basis of most physiological activities， such as the transmission of neural signals， the perception of external stimuli， etc. The key to realize the controllable ion transport is the various protein ion channels in life system. Inspiring researchers endeavor to develop artificial ion channels to subtly tune the ion transportation. Among the developed ion channels， hydrogel-based system exhibits the advantages of high ion selectivity and high ion conductance due to its three-dimensional（3D） charged networks induced space charges and 3D interconnection channels. As hydrogel-based ion channels hold the biocompatibility， deformability， and stable ion storage properties， it has been the focus in intelligence ion transport field and shows great potential in ion electronic circuits， medical health， energy conversion and storage， resources， and environment. To summarize the latest development of the hydrogel-based ion channels， we firstly overview on the construction methods of hydrogel-based intelligent ion channels. Thereafter， the ion transport mechanisms in the hydrogel-based ion channels are summarized， and the applications of such ion channels are categorized. At last， we discuss the existed issues and give the perspective on future development of hydrogel-based ion channels.

Key words: Bioinspired ion channel, Hydrogel, Smart material, Ion transport

中图分类号:

O648

TrendMD:

陈伟鹏, 孔祥玉, 闻利平. 水凝胶基仿生离子通道及其智能离子传输. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20220772.

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图/表 8

Fig.1 Design, fabrication methods, functionalization, and application of bioinspired hydrogel⁃based ion channel

Table 1 Construction methods for hydrogel-based ion channels

Cross⁃linking type	Gelation mechanism	Gelation method	Example
Noncovalent cross⁃linking	Addition polymerization by carbon⁃carbon double bond	Free radical polymerization	Poly（acrylic acid）
	Condensation reaction	Self⁃cross⁃linking	Poly（vinyl alcohol）+glutaraldehyde
	Schiff base reaction		Polyethyleneimine+terephthalaldehyde
	Borate ester bond		Poly（vinyl alcohol）+sodium tetraborate
	Hydrazone bond		Polymers with hydrazide functional groups
	Disulfide bond		Thioctic acid⁃based hydrogel
	Click chemistry		Hyaluronic acid⁃based hydrogel
Covalent cross⁃linking	Electrostatic interaction	Self⁃cross⁃linking	Sodium alginate+chitosan
	Metal coordination		Poly（acrylic acid）+Fe³⁺
	Hydrophobic association	LSCT/UCST or self⁃cross⁃linking	Poly（N⁃isopropylacrylamide）
	Hydrogen bond	Thermal treatment	Agarose
	Crystallization		Poly（vinyl alcohol）
	Physical entanglement	Self⁃cross⁃linking	Polyethylene glycol（high molecular）
	π⁃π stacking		Poly（3，4⁃ethylenedioxythiophene）
	Host⁃guest interaction		α⁃Cyclodextrin+polyethylene glycol

Fig.2 Ion transport in hydrogels and hydrogel⁃derived materials（A） Ion transport in gel-based nanochannel［49］；（B） ion transport in hydrogel membranes［83］；（C） ion transport in bulk hydrogel materials［91］.（A） Copyright 2020， American Chemical Society；（B） Copyright 2021， John Wiley and Sons；（C） Copyright 2007， American Chemical Society.

Fig.3 Ion transport mechanism in hydrogel⁃based channels（A） The structure of hydrogel-based ion channels；（B） ion diffusion in the channels；（C） ion exchange mechanism in the channels；（D） ion selective transport in ion channels.

Fig.4 Application of hydrogel⁃based ion channels in ionic⁃electronic circuits（A） Hydrogel-based ion channel bridges the gap between artificial electronic circuit and biological ion circuit［113］；（B） ionic gating［114］；（C） solid state ionic diode［91］；（D） ionic signal amplifier［115］；（E） ionic touch strip［116］.（A） Copyright 2018， John Wiley and Sons；（B） Copyright 2018， John Wiley and Sons；（C） Copyright 2007， American Chemical Society；（D） Copyright 2019， National Academy of Sciences；（E） Copyright 2020， American Chemical Society.

Fig.5 Application of hydrogel⁃based ion channels in drug delivery and sweat detection（A） Intelligent gating system for sustained drug release［121］；（B） high performance wound dressing［123］；（C） wearable medical equipment［124］.（A） Copyright 2022， American Chemical Society；（B） Copyright 2021， American Chemical Society；（C） Copyright 2021， John Wiley and Sons.

Fig.6 Application of hydrogel⁃based ion channels in energy conversion and storage（A） Mechanical energy conversion［130］；（B） low grade thermal energy conversion［131］；（C） salinity gradient energy conversion［136］；（D） salinity gradient battery［141］；（E） zinc battery.（A） Copyright 2020， the Royal Society of Chemistry；（B） Copyright 2016， John Wiley and Sons；（C） Copyright 2020， Springer Nature；（D） Copyright 2021， John Wiley and Sons.

Fig.7 Application of hydrogel⁃based ion channels in element enrichment and water treatment（A） Element recovery［147］；（B） water resource purification［149］；（C） dye separation［151］.（A） Copyright 2020， John Wiley and Sons；（B） Copyright 2020， American Chemical Society；（C） Copyright 2018， the Royal Society of Chemistry.

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