离子泵是细胞膜上重要的跨膜转运体，能驱使特定的离子逆电化学梯度穿过细胞膜，同时消耗ATP产生的能量。在生物系统中，离子泵送是维持细胞内渗透压、对外界刺激作出反应以及调节生理活动所必需的（图1）。近几十年来，随着先进材料和纳米技术的发展，具有不同几何结构和功能的人工离子泵系统逐渐被开发出来并引起了广泛的关注。

近期，南方科技大学肖凯副教授课题组在《ACS Nano》期刊上发表了题为“Bio-inspired Artificial Ion Pumps”的展望文章。概括总结了人工仿生离子泵的研究进展，包括非对称结构驱动离子泵、pH梯度驱动离子泵、光驱动离子泵和电子驱动离子泵四大类（图2）。讨论了这些人工仿生离子泵系统的工作机理、功能和应用。并对构筑仿生离子泵系统的研究基础、挑战和未来展望进行了探讨。

图1.（a）人体神经元信息沟通概述示意图。（1）人体感受器系统接受外界刺激，传递信号至神经系统；（2）突触前神经元释放神经递质，与突触后神经元的受体蛋白结合，打开细胞膜上的钠离子通道，产生动作电位；（3）动作电位延轴突流向末端（突触）；（4）动作电位在轴突流动的过程示意：钠-钾泵反向运输钠离子和钾离子，帮助膜电位复极化；（5）肌肉细胞上的受体蛋白接受神经元传递的信息收缩舒张响应。（b）钠钾泵通道蛋白的工作原理示意图。步骤1，ATP在钠钾泵通道蛋白上结合水解，通道蛋白一端打开；步骤2，钠离子（或钾离子）流入钠钾泵通道蛋白；步骤3，通道蛋白另一端打开，释放离子。钠钾泵通道蛋白每消耗1个ATP分子，逆浓度转运3个钠离子至细胞外，同时转运2个钾离子至细胞内。

图2. 人工仿生离子泵总结分类。非对称结构驱动、pH梯度驱动、光驱动、电驱动的人工仿生离子泵。

图3. （a）非对称结构驱动离子泵机理示意图。由非对称结构形成的非对称分布的内部电场驱动离子逆浓度传输。（b）微观非对称结构驱动离子泵。非对称纳米孔的微观形貌（左），纳米孔化学蚀刻制备方法示意图（中），离子泵逆向传输离子性能（右）。（c）宏观非对称结构驱动离子泵。宏观非对称离子泵膜（左），输入波动偏置电压（中），离子泵性能（右）。

图4. pH梯度驱动的离子泵机制。通过控制电解液的pH值控制纳米通道的表面性质，包括电荷状态、润湿性和分子构型，从而产生离子选择性和离子泵送等离子传输特性。（b）单纳米通道的pH驱动离子泵；（c）膜结构的pH驱动离子泵。

图5.光驱动离子泵。（a）（b）基于脂质膜的光驱动离子(质子)泵的工作原理示意与典型工作。感光分子在光照下进行电荷分离，并通过质子耦合电子转移或光异构化来逆向传输质子。（c）（d）基于半导体材料的纳米通道光驱动离子泵工作原理与典型工作。利用光刺激下半导体材料电子、空穴分离形成的非对称内部电场驱动离子逆向传输。（e）（f）基于光响应材料的纳米通道光驱动离子泵工作原理与典型工作。利用人工纳米通道内接枝的光响应分子实现离子逆向运输。（g）（h）基于人工二维膜材料的光驱动离子泵工作原理示意与典型工作。通过光子诱导的非对称表面电荷分布驱动离子逆向传输。

图6. （a）有机电驱动离子泵原理示意图。通过外接电场驱动离子的逆向运输。（b）平面型电驱动离子泵系统；（c）封装电驱动离子泵器件构筑及神经递质释放的应用；（d）基于导体材料的电驱动离子泵示意图；（e）碳纳米管电子驱动离子泵系统。

图7. 受生物离子泵启发的人工离子泵系统构筑原理示意与总结。与生物离子泵通过消耗ATP水解产生的化学能来驱动离子逆浓度传输相比，人工仿生离子泵通过纳米通道内的电势驱动离子的逆向传输。这种内部电势可以通过非对称结构直接产生，也可以通过pH、光、电等其它外界刺激产生。当内部电势高于离子化学势时，可以实现离子的逆浓度传输。

作者简介

肖凯 副教授，博士生导师，洪堡学者，国家级高层次人才获得者（海外）。2012年于吉林大学获得学士学位，2017年于中科院化学研究所获得博士学位，导师为江雷教授（中国科学院院士、美国工程院外籍院士）。2017-2020在德国马普胶体界面研究所从事博士后研究，合作导师为Markus Antonietti教授（欧洲科学院院士、瑞典科学院外籍院士）；2020-2021加入德国莱布尼茨固体与材料研究所从事博士后研究，合作导师为Oliver G Schmidt教授（德国科学院院士）。2021年加入南方科技大学生物医学工程系，建立“仿生多尺度离子基神经拟态器件” 实验室（Lab of bioinspired multiscale ionic neuromorphic devices (B-MIND lab)）。

研究方向：微纳米流体、水凝胶、多孔膜、柔性可穿戴器件、生物电子界面、神经工程等多学科交叉领域。

课题组网站：

http://www.xiaokai-group.cn/

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04550

来源：高分子科学前沿

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