模仿神经信号传递：用氢键冠醚组装的机械门控钾通道

生物钾离子通道通过极高的钾/钠选择性和动态离子门控机制维持细胞稳态，在渗透平衡和信号转导中至关重要。其选择性源于孔道中精确排列的氧原子与钾离子的特异性配位，且受电压、力等外界信号调控。开发具有生物级选择性和动态响应的人工钾通道，对离子回收、海水淡化、能源转化等领域意义重大。

现有仿生钾通道多以冠醚为构筑单元，分为聚合物基和纳米流体体系，但选择性不足且缺乏动态门控机制。本研究报道了一种基于端基冠醚聚集的机械调控钾通道：通过在端羧基聚丁二烯两端修饰18-冠醚-6和脲基嘧啶酮（UPy），形成四重氢键诱导的冠醚聚集（qHB-CA）膜。UPy间的四重氢键使聚合物链物理交联，形成软硬链交替结构，赋予膜优异弹性（应变达250%）。

该膜展现出超高钾/钠选择性：在0.1 M电解质中，钾离子传导电流比钠离子高一个数量级，基于扩散电位计算的选择性达104.7，接近生物钾通道。这源于18-冠醚-6与钾离子的尺寸匹配，钾离子通过相邻冠醚间的“跳跃”迁移，且迁移能垒低于钠离子。膜的低溶胀度（约0.45%）确保了机械和电化学稳定性，在浓度梯度驱动下可实现高效渗透能转换。

更重要的是，该膜具有机械响应的离子选择性：外部压力导致膜变形，调控冠醚聚集结构，使钾离子传导减慢、钠离子传输加快，钾/钠选择性随压力升高而降低，且该过程可逆。分子动力学模拟表明，压力使冠醚间距减小，钾离子结合作用增强导致能垒升高，而钠离子传输路径缩短使能垒降低。

受生物钠/钾泵启发，该膜可模拟神经冲动传递：无压力时，钾离子扩散产生正电位（静息电位）；机械刺激下，钠离子反向传输形成负电位（动作电位），且具有良好可逆性和自修复能力。该研究为动态单离子选择性膜提供了基础原理，在仿生离子信息学等领域有应用潜力。