【科技自立自强】《自然-电子》发文！西安交大科研人员开发出可化学调控的人工神经
近年来，随着脑科学、再生医学、人工智能等领域的迅速发展与深度融合，生物神经修复、脑机接口等技术正逐渐从设想变为现实。人工神经是用于临床神经修复和脑机接口的重要技术，需要具备能够放大、记忆、整合、传递生物体内微弱且高频的信号（高达1千赫兹、低于50毫伏）的能力。这要求人工神经同时具备快速响应、高放大能力和良好生物相容性，并实现感知-处理-记忆功能的一体化融合。传统硅基电路虽然性能强大，但缺乏对神经递质等生物化学信号的响应能力，无法实现化学调控，且电路结构复杂、硬质，生物相容性差、难以与柔软神经组织长期稳定连接等关键问题。
针对以上问题，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室马伟教授领导研究团队设计了一种新型具有梯度双连续结构（GIBS）的垂直有机电化学晶体管（v-OECT）器件，构筑了生物相容性好、可化学调控的高性能人工神经，相关成果发表在《自然-电子》（Nature Electronics）。GIBS结构是在聚合物半导体垂直沟道上顺序沉积了具有生物相容和分子掺杂效应的离子导体，可形成连续的电子和离子高速传输通道并实现n型掺杂，从而破解了电荷与离子难以同时高效传输的难题。此外，GIBS结构能够抑制上层离子导体对下层聚合物半导体结晶结构的破坏，提供高离子脱嵌势垒以实现离子的长期存储，确保了良好的电导记忆性能。同时，上层的离子导体还具有促进细胞生长的作用，为器件提供生物相容性的神经界面。得益于上述“一石三鸟”的设计，具有GIBS结构的有机电化学晶体管（OECT）实现了高跨导和超快响应速度，综合性能为目前报道的n型OECT中的最高值。其作为感受器，可对光、电、化学等多模态信号实现高灵敏响应；作为神经元，可通过互补反相器实现248V/V的高电压增益和1.5kHz的高截止频率；作为神经突触，可实现100kHz的高频电导读写和长时间的电导记忆。由以上三部分均质集成而构建的人工神经，不仅具有良好的生物相容性和长期植入稳定性，还可以在钙离子的化学介导下以超过250Hz的频率实现对外界信号的感知-处理-记忆功能，覆盖了所有已知生物神经的刷新频率范围。通过植入实验，该人工神经成功使神经功能受损的小鼠恢复了条件反射能力。该研究在有机半导体和新兴神经电子学领域具有重要科学价值和应用前景，为脑机接口开发和各类神经系统疾病的治疗提供了新思路，特别是对脊髓损伤、周围神经损伤等疾病的修复具有积极意义。
图1 | a.生物神经与人工神经的构成组件与对应关系；b. 梯度双连续结构结构示意图；c.具有梯度双连续结构的v-OECT性能与其他已报道器件的综合性能对比；d. 人工神经用于恢复神经功能受损小鼠的条件反射能力。
相关研究成果以《一种基于均质集成有机电化学晶体管的高频人工神经》（A high-frequency artificial nerve based on homogeneously integrated organic electrochemical transistors）为题发表在国际材料与电子学交叉领域顶级期刊《自然-电子》（Nature Electronics）上。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室王世杰助理教授为文章第一作者，马伟教授、赵超副教授、王炳俊助理教授为通讯作者。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为唯一通讯单位。文章的合作者还包括西安交通大学憨勇教授、西安交通大学第一附属医院鲍刚教授、西安交通大学第二附属医院杨琳教授、西安科技大学李宇翔副教授、德国电子同步辐射加速器中心Stephan V. Roth教授、德国慕尼黑工业大学Peter Müller-Buschbaum教授等。该工作得到了国家自然科学基金重点国际合作研究项目、青年学生基础研究项目（博士研究生）等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01357-7
马伟教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/msewma
