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(xué)獲悉，該校金屬材料強(qiáng)度全國重點實驗室馬偉教授領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊設(shè)計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)。

　　近年來，隨著腦科學(xué)、再生醫(yī)學(xué)、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(fù)、腦機(jī)接口等技術(shù)正逐漸從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　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)，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(dá)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(yīng)、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(qiáng)大，但缺乏對神經(jīng)遞質(zhì)等生物化學(xué)信號的響應(yīng)能力，無法實現(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(xué)調(diào)控的人工神經(jīng)。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(dǎo)體對下層聚合物半導(dǎo)體結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞，提供高離子脫嵌勢壘以實現(xiàn)離子的長期存儲，確保了良好的電導(dǎo)記憶性能。同時，上層的離子導(dǎo)體還具有促進(jìn)細(xì)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(shè)計，具有GIBS結(jié)構(gòu)的有機(jī)電化學(xué)晶體管(OECT)實現(xiàn)了高跨導(dǎo)和超快響應(yīng)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(xué)等多模態(tài)信號實現(xiàn)高靈敏響應(yīng)；作為神經(jīng)元，可通過互補(bǔ)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(dǎo)讀寫和長時間的電導(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(fù)了條件反射能力。

　　據(jù)介紹，該研究在有機(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)價值和應(yīng)用前景，為腦機(jī)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(fù)具有積極意義。(完)

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