人工神經(jīng)是用于臨床神經(jīng)修復(fù)和腦機(jī)接口的重要技術(shù)，要求同時(shí)具備快速響應(yīng)、高放大能力和良好生物相容性，并實(shí)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(qiáng)大，但缺乏對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)等生物化學(xué)信號(hào)的響應(yīng)能力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)化學(xué)調(diào)控，且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、硬質(zhì)，生物相容性差、難以與柔軟神經(jīng)組織長(zhǎng)期穩(wěn)定連接。
針對(duì)以上問(wèn)題，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬偉教授領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型具有梯度雙連續(xù)結(jié)構(gòu)（GIBS）的垂直有機(jī)電化學(xué)晶體管（v-OECT）器件，構(gòu)筑了生物相容性好、可化學(xué)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）。
該論文介紹，GIBS結(jié)構(gòu)是在聚合物半導(dǎo)體垂直溝道上順序沉積了具有生物相容和分子摻雜效應(yīng)的離子導(dǎo)體，可形成連續(xù)的電子和離子高速傳輸通道并實(shí)現(xiàn)n型摻雜，從而破解了電荷與離子難以同時(shí)高效傳輸?shù)碾y題。此外，GIBS結(jié)構(gòu)能夠抑制上層離子導(dǎo)體對(duì)下層聚合物半導(dǎo)體結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞，提供高離子脫嵌勢(shì)壘以實(shí)現(xiàn)離子的長(zhǎng)期存儲(chǔ)，確保了良好的電導(dǎo)記憶性能。同時(shí)，上層的離子導(dǎo)體還具有促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的作用，為器件提供生物相容性的神經(jīng)界面。
因得益于上述“一石三鳥(niǎo)”的設(shè)計(jì)，具有GIBS結(jié)構(gòu)的有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）實(shí)現(xiàn)了高跨導(dǎo)和超快響應(yīng)速度，綜合性能為目前報(bào)道的n型OECT中的最高值。其作為感受器，可對(duì)光、電、化學(xué)等多模態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高靈敏響應(yīng)；作為神經(jīng)元，可通過(guò)互補(bǔ)反相器實(shí)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(shí)現(xiàn)100kHz的高頻電導(dǎo)讀寫(xiě)和長(zhǎng)時(shí)間的電導(dǎo)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(zhǎng)期植入穩(wěn)定性，還可以在鈣離子的化學(xué)介導(dǎo)下以超過(guò)250Hz的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)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(guò)植入實(shí)驗(yàn)，人工神經(jīng)成功使神經(jīng)功能受損的小鼠恢復(fù)了條件反射能力。
該研究結(jié)果在有機(jī)半導(dǎo)體和新興神經(jīng)電子學(xué)領(lǐng)域具有重要科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景，為腦機(jī)接口開(kāi)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(duì)脊髓損傷、周圍神經(jīng)損傷等疾病的修復(fù)具有積極意義。
a.生物神經(jīng)與人工神經(jīng)的構(gòu)成組件與對(duì)應(yīng)關(guān)系；b. 梯度雙連續(xù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；c.具有梯度雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的v-OECT性能與其他已報(bào)道器件的綜合性能對(duì)比；d. 人工神經(jīng)用于恢復(fù)神經(jīng)功能受損小鼠的條件反射能力。論文作者供圖
西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王世杰助理教授為文章第一作者，馬偉教授、趙超副教授、王炳俊助理教授為通訊作者。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為唯一通訊單位。文章的合作者還包括西安交通大學(xué)憨勇教授、西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院鮑剛教授、西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院楊琳教授、西安科技大學(xué)李宇翔副教授、德國(guó)電子同步輻射加速器中心Stephan V. Roth教授、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)Peter Müller-Buschbaum教授等。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國(guó)際合作研究項(xiàng)目、青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（博士研究生）等的支持。
文章相關(guān)信息：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01357-7
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