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河北大学闫小兵教授/南开大学贾芸芳教授《AFM》新结构助力人工突触用于仿生医学传感系统

【引言】

作为实现类脑功能模拟的关键部分，生物突触因其优异的信息传递和处理能力而受到研究人员广泛的关注。到目前为止，科学家通过两端忆阻器和三端晶体管等人工突触器件采用可编程电子信号调控的方式实现了神经突触可塑性，生物触觉，反射性行为和习惯化行为等神经形态学的相关模拟。这意味着人工突触器件在模拟生物突触上具备巨大的潜力并在神经形态学芯片的发展中起到了关键作用。然而，相关研究表明突触的可塑性行为是神经受体和神经递质在生物突触中的第三端交界处产生的。通过可编程电子信号调控的方式得到的结果与人体中真实神经生化反应仍然存在差异。因此如何更加真实可靠的通过人工突触器件实现相关人体神经生化反应对于神经形态学芯片的功能性发展具有重要意义。

【成果简介】

本文提出了一种由神经受体介导的新型三端人工突触器件(NR-S)，通过在新构建的第三端MXene-PBS的固液界面处修饰相关神经元受体(AChR)并控制溶液中神经递质(ACh)量实现了一种生物方式触发的突触可塑性行为的模拟。随后通过褶皱型MXene纳米片显著提升了该器件的相关电学特性和敏感特性。研究成果为人工突触器件在模拟生化神经传递上提供了一种新的策略，有望促进神经形态学芯片在学习和传感上的多功能集成和发展。相关工作以“Neuro-Receptor Mediated Synapse Device Based on theCrumpled MXene Ti3C2Tx Nanosheets”为题发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上，南开大学博士研究生王开洋为本文第一作者，南开大学的贾芸芳教授与河北大学的闫小兵教授为本文通讯作者。

一种新型三端神经受体介导的人工突触（NR-S）器件的设计

神经突触可塑性行为是通过神经受体和神经递质在生物突触中第三端神经调节器交界处的反应而产生的。为了模拟这一现象，在双端MXene突触器件(Ag/Ti3C2Tx/ITO)中引入第三端MXene-PBS电极作为仿生神经调节器，制备出一种新型三端人工突触(NR-S)器件，用于生物突触的仿生与模拟。

NR-S器件的电子特性及性能提升方法

探究了基于非褶皱和褶皱两种MXene纳米片的NR-S器件的基本电学性能。研究发现，相对于使用非褶皱型MXene的NR-S器件，基于褶皱型纳米片的器件的HRS/LRS间隙从*** × 104 Ω大幅增加到*** × 104 Ω，具备更宽的电阻可调节空间。且褶皱型纳米片的不均匀状态会导致表面电双层中的离子比非褶皱型更分散，德拜长度增加，使其具备更高的灵敏度。并证明了 MXene人工突触器件中 Ti 的可逆价态变化也可以通过使用传统电信号以外的生物刺激信号进行调节。

NR-S器件触发的传感特性及神经突触可塑性行为

以生物突触信号传递方式为启发，通过在第三端MXene-PBS电极界面处修饰神经受体（AChR）用于NR-S器件的传感特性测试。研究发现基于褶皱型MXene纳米片的NR-S器件在修饰神经受体后可以在超低神经递质(ACh)浓度(1 aM)下产生电阻率的变化，该值103倍低于基于非褶皱型MXene纳米片的NR-S器件。且随着ACh含量的增加(1am –1µM)，器件电导率的变化呈现出递增的趋势，这种基于NR-S器件的传感特性与神经突触的可塑性行为相类似。

NR-S器件的神经破坏性行为与肌无力检测应用

对修饰有神经受体的电极界面表层修饰相应的破坏性自身受体抗体(AChR-ab)后，随着抗体量的增加，NR-S器件对神经递质的传感范围缩小，对于神经递质的检测灵敏度降低。这一结果类似于神经肌肉传递障碍的神经破坏性行为，也为日后肌无力症的检测提供了一种可行的策略。

【小结】

综上所述，这项工作提供了一种重要的器件构建策略用于生物神经元系统中神经生物化学的仿生模拟。为人工突触器件在生物传感领域提供了新的手段和应用前景，为神经形态芯片的多元化发展提供了重要参考。

本论文受到国家高层次人才经费和北京库尔科技有限公司的大力支持。

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