可重构压电离子聚合物膜实现可持续多共振声学传感——仿生人工基底膜技术突破

本研究针对感音神经性耳聋(SNHL)中基底膜毛细胞不可再生的临床难题，开发了基于自修复氟化聚氨酯(SFPU)和离子液体([BMIM][TFSI-])的可重构压电离子聚合物膜(ShPiP)。通过"离子笼锁效应"实现530 kPa-1的高灵敏度和20-3300Hz宽频响应，兼具0.3-0.4μm/min的自修复能力，为发展仿生人工听觉系统提供了创新解决方案。

　　

人类听觉系统精妙的机械-电信号转换机制一直是生物医学工程领域的研究热点。在耳蜗中，基底膜通过其梯度变化的力学特性实现声音频率的分解，而附着其上的毛细胞则通过离子通道完成机械-电信号转换。然而这种精密结构存在致命缺陷——哺乳动物的毛细胞几乎不具备再生能力，长期暴露于噪音或年龄增长导致的毛细胞损伤会引发不可逆的感音神经性耳聋(SNHL)。目前临床主要依靠人工耳蜗植入，但这类电子设备存在机械/电化学特性与生物组织不匹配、手术风险高、成本昂贵等问题。更关键的是，传统刚性电子元件在长期声波振动下易产生微裂纹，可能造成二次听力损伤。

针对这一系列挑战，韩国汉阳大学Do Hwan Kim团队与中科院宁波材料所合作在《Nature Communications》发表创新研究。受生物离子传导机制启发，研究人员设计了一种可重构的压电离子多共振声学传感器(PiMAS)，其核心是自修复压电离子聚合物(ShPiP)——由含动态二硫键和氟基团的氟化聚氨酯(SFPU)与离子液体([BMIM][TFSI^-])复合而成。这种材料系统巧妙模拟了生物基底膜的频率分解能力和离子传导机制，同时解决了传统传感器的不可修复性问题。

研究团队采用分子动力学模拟指导材料设计，通过有限元分析优化传感器结构，结合原位拉曼光谱追踪离子迁移路径。关键创新在于发现"离子笼锁效应"：声压使聚合物链拉伸时，氟化硬段间形成间隙通道，阳离子([BMIM]⁺)通过可逆离子-偶极相互作用被"锁定"在这些通道中，显著增强阻抗变化。实验系统包含8个厚度梯度(100-700μm)的传感通道，覆盖人类语音频率范围(男声64-523Hz，女声160-1200Hz)。

研究结果显示，PiMAS展现出卓越的性能参数：压力灵敏度达530 kPa^-1，应变灵敏度(GF)53.6，远超多数离子型传感器。厚度最薄的通道1对110Hz声音最敏感，而最厚的通道8可将响应上限扩展至3300Hz，完美模拟基底膜的频率拓扑特性。分子动力学模拟证实，氟基团与[BMIM]⁺的强离子-偶极相互作用使阳离子迁移率降低87%，这是高灵敏度的分子基础。

更突破性的是其自修复性能。密度泛函理论计算显示SFPU分子链与水分子间距>3?，确保疏水性。在人工淋巴液环境中，材料通过二硫键交换和氟基偶极相互作用实现"被动修复"，24小时内即可恢复传感功能。这种特性使PiMAS成为首款能在体液环境中自修复的声学传感器。

在实际应用测试中，PiMAS成功识别了钢琴键特征频率(32.7-2093Hz)和人声频谱特征。与商用传感器相比，其对低音、男中音和男高音演唱的检测灵敏度分别提高3.5倍、3.4倍和3.2倍。这种性能优势结合生物相容性，为开发新一代人工听觉假体提供了可能。

这项研究的科学价值在于：首次将离子传导机制与频率分解功能集成于单一柔性材料系统；提出"离子笼锁效应"新概念，为高灵敏度离子传感器设计提供新思路；开发出首款体液环境可自修复的声学传感器。临床转化方面，PiMAS的柔性特性可减少植入手术创伤，自修复功能可延长器件寿命，为SNHL治疗提供革新性解决方案。未来通过优化材料组分和通道设计，有望实现与残余听觉神经的更精准对接，推动仿生听觉修复技术的发展。