南開大學賈蕓芳教授/河北大學閆小兵教授AFM：基于褶皺型MXene納米片的神經受體介導型突觸器件
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，河北大學
研 究 背 景
作為實現類腦功能模擬的關鍵部分，生物突觸因其優異的信息傳遞和處理能力而受到研究人員廣泛的關注。到目前為止，科學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調控的方式實現了神經突觸可塑性，生物觸覺，反射性行為和習慣化行為等神經形態學的相關模擬。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形態學芯片的發展中起到了關鍵作用。然而，相關研究表明突觸的可塑性行為是神經受體和神經遞質在生物突觸中的第三端交界處產生的。通過可編程電子信號調控的方式得到的結果與人體中真實神經生化反應仍然存在差異。因此如何更加真實可靠的通過人工突觸器件實現相關人體神經生化反應對于神經形態學芯片的功能性發展具有重要意義。
文 章 簡 介
基于此，來自南開大學的賈蕓芳教授與河北大學的閆小兵教授合作，在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表題為 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受體介導的新型三端人工突觸器件NR-S，通過在新構建的第三端MXene-PBS的固液界面處修飾相關神經元受體AChR并控制溶液中神經遞質ACh量實現了一種生物方式觸發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電學特性和敏感特性。研究成果為人工突觸器件在模擬生化神經傳遞上提供了一種新的策略，有望促進神經形態學芯片在學習和傳感上的多功能集成和發展。
圖1. 圖文摘要。
文 章 要 點
要點一：一種新型三端神經受體介導的人工突觸 NR-S 器件的設計神經突觸可塑性行為是通過神經受體和神經遞質在生物突觸中第三端神經調節器交界處的反應而產生的。為了模擬這一現象，在雙端MXene突觸器件 Ag/Ti3C2Tx/ITO 中引入第三端MXene-PBS電極作為仿生神經調節器，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器件的基本電學性能。研究發現，相對于使用非褶皺型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節空間。且褶皺型納米片的不均勻狀態會導致表面電雙層中的離子比非褶皺型更分散，德拜長度增加，使其具備更高的靈敏度。并證明了 MXene人工突觸器件中 Ti 的可逆價態變化也可以通過使用傳統電信號以外的生物刺激信號進行調節。
要點三：NR-S器件觸發的傳感特性及神經突觸可塑性行為以生物突觸信號傳遞方式為啟發，通過在第三端MXene-PBS電極界面處修飾神經受體 AChR 用于NR-S器件的傳感特性測試。研究發現基于褶皺型MXene納米片的NR-S器件在修飾神經受體后可以在超低神經遞質 ACh 濃度 1 aM 下產生電阻率的變化，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 ，器件電導率的變化呈現出遞增的趨勢，這種基于NR-S器件的傳感特性與神經突觸的可塑性行為相類似。
要點四：NR-S器件的神經破壞性行為與肌無力檢測應用對修飾有神經受體的電極界面表層修飾相應的破壞性自身受體抗體 AChR-ab 后，隨著抗體量的增加，NR-S器件對神經遞質的傳感范圍縮小，對于神經遞質的檢測靈敏度降低。這一結果類似于神經肌肉傳遞障礙的神經破壞性行為，也為日后肌無力癥的檢測提供了一種可行的策略。
前 瞻
總的來說，這項工作提供了一種重要的器件構建策略用于生物神經元系統中神經生物化學的仿生模擬。為人工突觸器件在生物傳感領域提供了新的手段和應用前景，為神經形態芯片的多元化發展提供了重要參考。
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 介
閆小兵 教授。河北大學電子信息工程學院教授，博士生導師。近年來致力于類腦芯片關鍵元器件憶阻器器件與系統的研發，先后獲得國家重大人才工程-教育部青年長江學者、教育部霍英東青年教師獎、河北省青年科技獎、河北省青年五四獎章、河北省青年拔尖人才、河北省三三三人才二層次稱號、河北省杰出青年、保定市科技進步一等獎等。在頂級國際權威期刊 Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Nature Communications等發表論文100余篇，其中影響因子>10共20余篇。以第一作者國家發明專利申請/授權共計 40/30 項，申請美國專利 1 項，為國家卡脖子問題提供技術儲備，受到國內外同行的肯定和引用，2019年被評為全球前2%頂尖科學家。目前擔任Frontiers in Neuroscience 雜志的客座主編，美國IEEE高級會員，Advance Materials、ACS Nano等國際權威期刊審稿人。
賈蕓芳 教授。南開大學電子信息與光學工程學院微電子工程系教授，博士生導師，研究方向：生物醫學電子工程。2004年在南開大學獲得博士學位，2005-2007于南開大學生命科學院從事博士后研究，2009-2010德國菲利普斯馬爾堡大學國家留學基金委訪問學者。先后獲得天津市科技進步一等獎，天津市科技進步三等獎，天津市生物醫學工程學會理事。
第 一 作 者 簡 介
王開洋 南開大學電子信息與光學工程學院博士研究生。碩士畢業于河北大學閆小兵教授課題組，曾以第一作者在Nano Energy, Small, Adv. Electron. Mater期刊發表研究論文3篇。現階段研究主要方向為基于神經突觸的新型生化傳感器件的設計與應用。曾獲2020年河北省優秀碩士畢業生。
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