2021年诺贝尔奖最近陆续揭晓了，其中诺贝尔医学奖颁给了美国科学家David J. Julius和Ardem Patapoutian，以表彰他们在痛觉和触觉研究方面所作出的贡献。人类自诞生以来，一直对自身如何感知世界而感到好奇，但是一直不清楚神经系统是如何感知环境的。Julius利用辣椒素，发现了细胞中存在一种离子通道蛋白，TRPV1, 在疼痛和热的感知中起着核心作用。而另一位诺贝尔奖获得者Patapoutian则揭示了触觉的奥秘。Patapoutian与课题组合作者从小鼠细胞入手，经过长期的努力，最终在哺乳动物的细胞上发现了Piezo 1和Piezo 2这两种用于感应压力的通道蛋白。在一般状态下，Piezo 2蛋白呈闭合状态，细胞膜内外电位保持平衡。在按压状态下，由于细胞膜的张力，蛋白通道被打开，细胞外阳离子被挤入细胞内，破坏了离子平衡，使得穿过膜的离子电流发生了变化，产生了电信号。神经元将该电信号传递至中枢神经系统，在大脑中产生信息。

受到Piezo 2蛋白的启发, 中国科学院宁波材料技术与工程研究所朱锦研究员团队将离子液体（IL）与含有离子键的离子型聚氨酯（i-PU）混合，制备了一种以离子为传输介质的新型离子皮肤I-Skin-i。在此，i-PU被用来模仿通道蛋白Piezo 2，离子液体被用来模仿细胞内外的传输离子。按压前，由于离子间相互作用，i-PU能够通过离子键相互作用吸引住离子液体中的正负离子，类似于闭合状态的Piezo 2通道蛋白。在按压过程中，i-PU分子链之间的空间被压缩，与i-PU结合较弱的离子被挤压至表面，类似Piezo 2通道蛋白被打开并完成离子传输。正负离子的迁移形成双电层，产生了电容信号。此时，该离子皮肤如同细胞膜上的Piezo 2蛋白，能够完成“将机械信号转换成化学信号输出”这一过程。并且由于i-PU中含有离子键，因此以i-PU为基底制备的I-Skin-i具有自修复的功能。最后，将I-Skin-贴在了人体不同部位，以感知从呼吸到跳跃的动作，在穿戴式健康监测设备方面展现了巨大的应用潜质。

该工作以“A self-healing and ionic liquid affiliative polyurethane toward a Piezo 2 protein inspired ionic skin”为题，发表在Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202106341（文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202106341）。中科院宁波材料所的陈超博士为第一作者，应邬彬副研究员，张若愚研究员和朱锦研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（51773218、52003278）、浙江省自然科学基金（LQ19E030005）、浙江省重点研发计划（2018C03G3220872）和中国科学院青年创新促进会（2018338）的资助。

图1 Piezo2 蛋白的工作原理和离子皮肤I-Skin-i的工作机制

 

图2 离子型聚氨酯i-PU的自愈合性能

 

图3 离子皮肤I-Skin-i的实际应用

 

（生物基高分子材料团队 陈超）