《Advanced Science》：The Role of Ionic Liquids at the Biological Interfaces in Bioelectronics
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这篇综述系统阐述了离子液体（Ionic Liquids, ILs）作为连接生物离子信号与电子器件运作的关键桥梁，在生物电子学（Bioelectronics）领域的前沿应用。文章重点剖析了ILs独特的理化特性（如高离子电导率、宽电化学窗口、可调谐的极性与机械柔顺性）如何使其超越传统电解质角色，进化为集传感、驱动与自适应智能于一体的仿生电子系统的核心平台材料，为个性化医疗与神经生理监测等领域带来革命性潜力。
在追求个性化医疗与精准神经生理监测的浪潮中，能够与复杂生命系统无缝交互的智能生物电子技术正飞速发展。人体作为一个精密的、以离子为基础信号的多细胞有机体，其感知、传导与运动输出的每一个环节，都离不开离子跨膜运输、电化学梯度形成与膜电位去极化等动态过程的精密调控。生物神经系统正是这样一个以离子为信使、拥有卓越能效与适应性的信息处理网络。如何人工复现这些生理机制，实现电子设备与生命组织间精确的离子基交互，成为了开发生物电子界面的核心目标。在此背景下，离子液体（Ionic Liquids, ILs）——一种完全由离子组成、在室温下呈液态的盐类——正崭露头角，成为桥接生物系统离子信号传输与电子设备电子操作的关键人工离子材料。
离子液体之所以备受青睐，源于其一系列可设计的优异特性。它们通常由不对称的有机阳离子（如咪唑鎓、吡咯烷鎓、磷鎓）与有机或无机阴离子（如双三氟甲磺酰亚胺（TFSI-）、四氟硼酸根（BF4-））组合而成。这种独特的分子结构赋予了ILs高离子电导率、宽电化学稳定性窗口、可调的疏水性/亲水性、低蒸气压以及良好的机械柔顺性。通过精心设计阳离子烷基链长度、阴离子类型乃至在聚合物骨架上固定离子基团形成聚离子液体（Polyionic Liquids, PILs），可以对其物理化学性质进行“按需定制”，从而满足从传感、驱动到神经形态计算等多种生物电子应用场景的特定需求。
在生物电子接口的功能实现上，离子液体扮演着多重核心角色。
首先，在感知输入界面，即传感器与晶体管领域，ILs展现了卓越的离子-电子耦合能力。传统的金属或碳基电极缺乏离子传输能力，与生物组织界面阻抗高。而ILs，特别是当其与聚合物（如聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯P(VDF-HFP)）复合形成离子凝胶（Ionogels）时，能构建出柔软、保形且具有高界面电容的离子界面。这不仅能显著降低皮肤-电极阻抗，实现从数小时到数天的稳定电生理信号（如心电、脑电）记录，还能最大限度地减少运动伪影。在有机电化学晶体管（Organic Electrochemical Transistors, OECTs）这类器件中，ILs作为电解质或栅介质，通过高效的离子注入与抽取来调控半导体沟道的掺杂状态，从而放大微弱的生物电信号。例如，将ILs集成到具有微金字塔结构的离子凝胶中，可制造出对压力敏感的高性能OECT，成功用于实时监测人体桡动脉脉搏。更有甚者，采用基于天然产物（如胆碱、氨基酸）的“绿色”离子液体与多糖（如果聚糖）结合，可开发出具有生物粘附性、可生物降解的固态电解质，直接贴合于心脏等组织表面进行电信号记录，并在完成使命后安全降解，为临时性植入式医疗设备提供了新思路。
其次，在运动输出界面，即致动器与软体机器人领域，ILs是构建人工肌肉和柔性驱动器的理想材料。其工作原理主要基于电化学驱动：在电压作用下，ILs中的离子会向电极迁移并聚集，通过双电层（Electrical Double Layer, EDL）效应产生巨大的静电压力，或者引起离子在聚合物网络中的嵌入/脱出，从而导致聚合物薄膜发生体积膨胀或收缩，产生宏观形变与机械力。这种电化学致动具有驱动电压低、应变大、响应快、可静音操作等优点。研究人员已成功开发出能模拟章鱼触手抓取、花朵开合乃至爬行运动的ILs基软体致动器。通过将感知与驱动功能集成于同一ILs材料系统中，可以构建出具有本体感知能力的“智能”致动器，即它能同时感知自身的形变状态并做出调整，向实现真正的闭环生物电子交互系统迈出了关键一步。
离子液体在生物界面处的另一个重要功能涉及增强聚合物机械性能与药物递送。当ILs作为添加剂或交联剂引入聚合物基质时，它们可以通过离子交联、增塑等机制，显著改善材料的柔软性、可拉伸性，并赋予其自修复能力。例如，含有ILs的凝胶聚合物电解质在受损后接触，ILs能促进离子重排与新离子键的形成，从而实现力学性能的自主恢复。在药物递送方面，ILs的两亲性结构使其能够与细胞膜的脂质双分子层发生相互作用。其疏水尾链可插入脂质层，扰乱其有序结构，增加膜的通透性，从而促进药物或生物大分子的跨膜运输。这一特性在透皮给药系统中显示出巨大潜力，ILs可逆地破坏皮肤角质层的脂质屏障，为药物分子打开递送通道。当然，这也要求对ILs的结构进行精心设计，因为过长烷基链的ILs可能因过度破坏细胞膜而导致细胞毒性，因此需要平衡其递送效率与生物相容性。
离子液体在神经形态计算与脑机接口中的应用更是其前沿价值的体现。神经形态器件旨在模仿生物神经元的信号处理与学习能力。利用ILs中离子的迁移与弛豫行为，可以模拟生物突触中钙离子流动引起的权重变化，在单一器件中实现短期可塑性、长期增强/抑制等多种突触功能。将这类“离子突触”与传感器、致动器集成，可构建出能进行感知-处理-执行闭环任务的简单人工反射弧。在更高层次的脑机接口中，ILs基的高生物相容性、高信噪比微电极阵列，为长期、稳定、高分辨率的神经信号记录与精准神经刺激提供了可能，是研究神经环路和治疗神经系统疾病的重要工具。
尽管前景广阔，离子液体在生物电子学中的全面应用仍面临挑战。这包括长期在体操作下的材料稳定性与可靠性问题、对复杂生物环境中ILs与组织界面相互作用的深层机理理解、以及面向大规模生产与临床转化的标准化与安全性评估体系建立。未来的发展将更加注重ILs分子结构的理性设计，以同时优化其电化学性能、机械匹配性、生物相容性与环境友好性；推动ILs与新兴材料（如二维材料、导电聚合物）的深度融合；并致力于开发集多功能于一体、具有自适应与学习能力的下一代生物启发式电子系统。
总而言之，离子液体已从一个功能性的电解质，演变为赋能下一代生物电子界面的核心平台材料。它通过精准的离子调控，在生命系统与人工设备之间架起了一座动态、智能的桥梁，正引领着生物电子学向更融合、更智能、更生物友好的未来迈进。
