南開大學(xué)賈蕓芳教授/河北大學(xué)閆小兵教授AFM：基于褶皺型MXene納米片的神經(jīng)受體介導(dǎo)型突觸器件
發(fā)布時(shí)間：2021-09-24 09:15:47 人氣：1207
文 章 信 息
第一作者：王開洋
通訊作者：閆小兵，賈蕓芳
單位：南開大學(xué)，河北大學(xué)
研 究 背 景
作為實(shí)現(xiàn)類腦功能模擬的關(guān)鍵部分，生物突觸因其優(yōu)異的信息傳遞和處理能力而受到研究人員廣泛的關(guān)注。到目前為止，科學(xué)家通過兩端憶阻器和三端晶體管等人工突觸器件采用可編程電子信號(hào)調(diào)控的方式實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)突觸可塑性，生物觸覺，反射性行為和習(xí)慣化行為等神經(jīng)形態(tài)學(xué)的相關(guān)模擬。這意味著人工突觸器件在模擬生物突觸上具備巨大的潛力并在神經(jīng)形態(tài)學(xué)芯片的發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用。然而，相關(guān)研究表明突觸的可塑性行為是神經(jīng)受體和神經(jīng)遞質(zhì)在生物突觸中的第三端交界處產(chǎn)生的。通過可編程電子信號(hào)調(diào)控的方式得到的結(jié)果與人體中真實(shí)神經(jīng)生化反應(yīng)仍然存在差異。因此如何更加真實(shí)可靠的通過人工突觸器件實(shí)現(xiàn)相關(guān)人體神經(jīng)生化反應(yīng)對(duì)于神經(jīng)形態(tài)學(xué)芯片的功能性發(fā)展具有重要意義。
文 章 簡(jiǎn) 介
基于此，來自南開大學(xué)的賈蕓芳教授與河北大學(xué)的閆小兵教授合作，在國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表題為 Neuro-Receptor Mediated Synapse Device Based on the Crumpled MXene Ti3C2Tx Nanosheets 的研究文章。
本文提出了一種由神經(jīng)受體介導(dǎo)的新型三端人工突觸器件NR-S，通過在新構(gòu)建的第三端MXene-PBS的固液界面處修飾相關(guān)神經(jīng)元受體AChR并控制溶液中神經(jīng)遞質(zhì)ACh量實(shí)現(xiàn)了一種生物方式觸發(fā)的突觸可塑性行為的模擬。
隨后通過褶皺型MXene納米片顯著提升了該器件的相關(guān)電學(xué)特性和敏感特性。研究成果為人工突觸器件在模擬生化神經(jīng)傳遞上提供了一種新的策略，有望促進(jìn)神經(jīng)形態(tài)學(xué)芯片在學(xué)習(xí)和傳感上的多功能集成和發(fā)展。
圖1. 圖文摘要。
文 章 要 點(diǎn)
要點(diǎn)一：一種新型三端神經(jīng)受體介導(dǎo)的人工突觸 NR-S 器件的設(shè)計(jì)神經(jīng)突觸可塑性行為是通過神經(jīng)受體和神經(jīng)遞質(zhì)在生物突觸中第三端神經(jīng)調(diào)節(jié)器交界處的反應(yīng)而產(chǎn)生的。為了模擬這一現(xiàn)象，在雙端MXene突觸器件 Ag/Ti3C2Tx/ITO 中引入第三端MXene-PBS電極作為仿生神經(jīng)調(diào)節(jié)器，制備出一種新型三端人工突觸 NR-S 器件，用于生物突觸的仿生與模擬。
要點(diǎn)二:NR-S器件的電子特性及性能提升方法探究了基于非褶皺和褶皺兩種MXene納米片的NR-S器件的基本電學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于使用非褶皺型MXene的NR-S器件，基于褶皺型納米片的器件的HRS/LRS間隙從1.24 × 104 Ω大幅增加到7.02 × 104 Ω，具備更寬的電阻可調(diào)節(jié)空間。且褶皺型納米片的不均勻狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致表面電雙層中的離子比非褶皺型更分散，德拜長(zhǎng)度增加，使其具備更高的靈敏度。并證明了 MXene人工突觸器件中 Ti 的可逆價(jià)態(tài)變化也可以通過使用傳統(tǒng)電信號(hào)以外的生物刺激信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
要點(diǎn)三：NR-S器件觸發(fā)的傳感特性及神經(jīng)突觸可塑性行為以生物突觸信號(hào)傳遞方式為啟發(fā)，通過在第三端MXene-PBS電極界面處修飾神經(jīng)受體 AChR 用于NR-S器件的傳感特性測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)基于褶皺型MXene納米片的NR-S器件在修飾神經(jīng)受體后可以在超低神經(jīng)遞質(zhì) ACh 濃度 1 aM 下產(chǎn)生電阻率的變化，該值103倍低于基于非褶皺型MXene納米片的NR-S器件。且隨著ACh含量的增加 1am – 1μM ，器件電導(dǎo)率的變化呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，這種基于NR-S器件的傳感特性與神經(jīng)突觸的可塑性行為相類似。
要點(diǎn)四：NR-S器件的神經(jīng)破壞性行為與肌無力檢測(cè)應(yīng)用對(duì)修飾有神經(jīng)受體的電極界面表層修飾相應(yīng)的破壞性自身受體抗體 AChR-ab 后，隨著抗體量的增加，NR-S器件對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)的傳感范圍縮小，對(duì)于神經(jīng)遞質(zhì)的檢測(cè)靈敏度降低。這一結(jié)果類似于神經(jīng)肌肉傳遞障礙的神經(jīng)破壞性行為，也為日后肌無力癥的檢測(cè)提供了一種可行的策略。
前 瞻
總的來說，這項(xiàng)工作提供了一種重要的器件構(gòu)建策略用于生物神經(jīng)元系統(tǒng)中神經(jīng)生物化學(xué)的仿生模擬。為人工突觸器件在生物傳感領(lǐng)域提供了新的手段和應(yīng)用前景，為神經(jīng)形態(tài)芯片的多元化發(fā)展提供了重要參考。
文 章 鏈 接
Neuro-Receptor Mediated Synapse Device Based on the Crumpled MXene Ti3C2Tx Nanosheetshttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104304
通 訊 作 者 簡(jiǎn) 介
閆小兵 教授。河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。近年來致力于類腦芯片關(guān)鍵元器件憶阻器器件與系統(tǒng)的研發(fā)，先后獲得國(guó)家重大人才工程-教育部青年長(zhǎng)江學(xué)者、教育部霍英東青年教師獎(jiǎng)、河北省青年科技獎(jiǎng)、河北省青年五四獎(jiǎng)?wù)�、河北省青年拔尖人才、河北省三三三人才二層次稱號(hào)、河北省杰出青年、保定市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等。在頂級(jí)國(guó)際權(quán)威期刊 Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Nature Communications等發(fā)表論文100余篇，其中影響因子>10共20余篇。以第一作者國(guó)家發(fā)明專利申請(qǐng)/授權(quán)共計(jì) 40/30 項(xiàng)，申請(qǐng)美國(guó)專利 1 項(xiàng)，為國(guó)家卡脖子問題提供技術(shù)儲(chǔ)備，受到國(guó)內(nèi)外同行的肯定和引用，2019年被評(píng)為全球前2%頂尖科學(xué)家。目前擔(dān)任Frontiers in Neuroscience 雜志的客座主編，美國(guó)IEEE高級(jí)會(huì)員，Advance Materials、ACS Nano等國(guó)際權(quán)威期刊審稿人。
賈蕓芳 教授。南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院微電子工程系教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：生物醫(yī)學(xué)電子工程。2004年在南開大學(xué)獲得博士學(xué)位，2005-2007于南開大學(xué)生命科學(xué)院從事博士后研究，2009-2010德國(guó)菲利普斯馬爾堡大學(xué)國(guó)家留學(xué)基金委訪問學(xué)者。先后獲得天津市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，天津市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，天津市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)理事。
第 一 作 者 簡(jiǎn) 介
王開洋 南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院博士研究生。碩士畢業(yè)于河北大學(xué)閆小兵教授課題組，曾以第一作者在Nano Energy, Small, Adv. Electron. Mater期刊發(fā)表研究論文3篇�，F(xiàn)階段研究主要方向?yàn)榛谏窠?jīng)突觸的新型生化傳感器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。曾獲2020年河北省優(yōu)秀碩士畢業(yè)生。
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