IT之家 3 月 12 日消息，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(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，西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授領(lǐng)導(dǎo)研究團隊設(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)成果已于 3 月 10 日發(fā)表在《自然-電子》上。
芝加哥大學(xué) Sihong Wang 教授團隊發(fā)表觀點文章并指出，基于 GIBS 的突觸器件響應(yīng)速度提升了 2000 倍，而相應(yīng)神經(jīng)元電路實現(xiàn)了超出以往 OECT 軸突-軸丘電路 5 倍的脈沖發(fā)放頻率，基于的神經(jīng)元-突觸集成系統(tǒng)模仿了神經(jīng)沖動對于突觸權(quán)重的增強，對于神經(jīng)修復(fù)、腦機接口等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生重要影響。
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(shè)計，具有 GIBS 結(jié)構(gòu)的有機電化學(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。該研究在有機半導(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。
IT之家附論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41928-025-01357-7
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