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來源：光明網(wǎng)

近年來，隨著腦科學(xué)、再生醫(yī)學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展與深度融合，生物神經(jīng)修復(fù)、腦機(jī)接口等技術(shù)正在逐步從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。人工神經(jīng)作為一種臨床神經(jīng)修復(fù)和腦機(jī)接口的關(guān)鍵技術(shù)，需要具備放大、記憶、整合和傳遞微弱高頻信號(hào)（高達(dá)1千赫茲、低于50毫伏）的能力。這要求人工神經(jīng)需要同時(shí)具備快速響應(yīng)、高放大能力和良好的生物相容性，并實(shí)現(xiàn)感知-處理-記憶功能的一體化。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，無法實(shí)現(xiàn)化學(xué)調(diào)控，且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、硬度大、生物相容性差，難以與柔軟的神經(jīng)組織實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定連接。

針對(duì)上述技術(shù)難題，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了一種新型具有梯度雙連續(xù)電致導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（GIBS）的垂直有機(jī)電化學(xué)晶體管（v-OECT）器件，成功構(gòu)建了一種高性能的人工神經(jīng)，相關(guān)成果發(fā)表在《自然-電子》期刊上。

該研究通過在聚合物半導(dǎo)體垂直溝道上順序沉積具有生物相容性和分子摻雜效應(yīng)的離子導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的電子和離子高速傳輸通道的形成，并通過n型摻雜技術(shù)，成功解決了電荷與離子高效傳輸?shù)碾y題。

此外，GIBS結(jié)構(gòu)能夠有效抑制上層離子導(dǎo)體對(duì)下層聚合物半導(dǎo)體的破壞，同時(shí)提供高離子脫嵌勢(shì)壘，確保了離子的長期存儲(chǔ)和良好的電導(dǎo)記憶性能。此外，上層的離子導(dǎo)體還具有促進(jìn)細(xì)胞生長的作用，為器件提供了生物相容的神經(jīng)界面。

圖1展示了生物神經(jīng)與人工神經(jīng)的構(gòu)成組件及對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及GIBS結(jié)構(gòu)的電致導(dǎo)電結(jié)構(gòu)示意圖、具有GIBS結(jié)構(gòu)的v-OECT的綜合性能對(duì)比圖、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等。

由于GIBS結(jié)構(gòu)的引入，具有梯度雙連續(xù)電致導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的有機(jī)電化學(xué)晶體管（v-OECT）實(shí)現(xiàn)了高跨導(dǎo)和超快響應(yīng)速度，其綜合性能在現(xiàn)有報(bào)道的n型v-OECT中處于最高水平。作為信號(hào)感受器，該器件能夠?qū)?、電、化學(xué)等多種多模態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高靈敏度響應(yīng)；作為神經(jīng)元，通過互補(bǔ)反相器模式可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)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的高頻電讀寫和長時(shí)間的電導(dǎo)記憶。

通過將三部分均質(zhì)集成，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，還能夠在鈣離子的化學(xué)介導(dǎo)下以超過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。

通過植入實(shí)驗(yàn)，該人工神經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)功能受損小鼠的條件反射能力恢復(fù)。該研究在有機(jī)半導(dǎo)體和新興神經(jīng)電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景，為腦機(jī)接口技術(shù)的開發(fā)以及各種神經(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)具有重要的臨床意義。（蔡琳）

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01357-7