中新網(wǎng)西安3月11日電 (記者 阿琳娜)記者11日從西安交通大學獲悉，該校金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授領(lǐng)導研究團隊設計了一種新型具有梯度雙連續(xù)結(jié)構(gòu)(GIBS)的垂直有機電化學晶體管(v-OECT)器件，構(gòu)筑了生物相容性好、可化學調(diào)控的高性能人工神經(jīng)，相關(guān)成果發(fā)表在《自然-電子》(Nature Electronics)。

　　近年來，隨著腦科學、再生醫(yī)學、人工智能等領(lǐng)域的迅速發(fā)展與深度融合，生物神經(jīng)修復、腦機接口等技術(shù)正逐漸從設想變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　人工神經(jīng)是用于臨床神經(jīng)修復和腦機接口的重要技術(shù)，需要具備能夠放大、記憶、整合、傳遞生物體內(nèi)微弱且高頻的信號(高達1千赫茲、低于50毫伏)的能力。這要求人工神經(jīng)同時具備快速響應、高放大能力和良好生物相容性，并實現(xiàn)感知-處理-記憶功能的一體化融合。

　　傳統(tǒng)硅基電路雖然性能強大，但缺乏對神經(jīng)遞質(zhì)等生物化學信號的響應能力，無法實現(xiàn)化學調(diào)控，且電路結(jié)構(gòu)復雜、硬質(zhì)，生物相容性差、難以與柔軟神經(jīng)組織長期穩(wěn)定連接等關(guān)鍵問題。

　　針對以上問題，西安交大科研人員開發(fā)出可化學調(diào)控的人工神經(jīng)。GIBS結(jié)構(gòu)是在聚合物半導體垂直溝道上順序沉積了具有生物相容和分子摻雜效應的離子導體，可形成連續(xù)的電子和離子高速傳輸通道并實現(xiàn)n型摻雜，從而破解了電荷與離子難以同時高效傳輸?shù)碾y題。此外，GIBS結(jié)構(gòu)能夠抑制上層離子導體對下層聚合物半導體結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞，提供高離子脫嵌勢壘以實現(xiàn)離子的長期存儲，確保了良好的電導記憶性能。同時，上層的離子導體還具有促進細胞生長的作用，為器件提供生物相容性的神經(jīng)界面。

　　得益于上述“一石三鳥”的設計，具有GIBS結(jié)構(gòu)的有機電化學晶體管(OECT)實現(xiàn)了高跨導和超快響應速度，綜合性能為目前報道的n型OECT中的最高值。其作為感受器，可對光、電、化學等多模態(tài)信號實現(xiàn)高靈敏響應；作為神經(jīng)元，可通過互補反相器實現(xiàn)248V/V的高電壓增益和1.5kHz的高截止頻率；作為神經(jīng)突觸，可實現(xiàn)100kHz的高頻電導讀寫和長時間的電導記憶。

　　由以上三部分均質(zhì)集成而構(gòu)建的人工神經(jīng)，不僅具有良好的生物相容性和長期植入穩(wěn)定性，還可以在鈣離子的化學介導下以超過250Hz的頻率實現(xiàn)對外界信號的感知-處理-記憶功能，覆蓋了所有已知生物神經(jīng)的刷新頻率范圍。通過植入實驗，該人工神經(jīng)成功使神經(jīng)功能受損的小鼠恢復了條件反射能力。

　　據(jù)介紹，該研究在有機半導體和新興神經(jīng)電子學領(lǐng)域具有重要科學價值和應用前景，為腦機接口開發(fā)和各類神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供了新思路，特別是對脊髓損傷、周圍神經(jīng)損傷等疾病的修復具有積極意義。(完)