南开大学贾芸芳教授/河北大学闫小兵教授AFM：基于褶皱型MXene纳米片的神经受体介导型突触器件- 大数跨境

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南开大学贾芸芳教授/河北大学闫小兵教授AFM：基于褶皱型MXene纳米片的神经受体介导型突触器件

科学材料站

2021-09-09

导读：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，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并控制溶液中神经递质量实现了一种生物方式触发的突触可塑性行为的模拟

文章信息

第一作者：王开洋

通讯作者：闫小兵*，贾芸芳*

单位：南开大学，河北大学

研究背景

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。

文章简介

基于此，来自南开大学的贾芸芳教授与河北大学的闫小兵教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Neuro-Receptor Mediated Synapse Device Based on the Crumpled MXene Ti3C2Tx Nanosheets”的研究文章。

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。

图1. 图文摘要。

文章要点

要点一：一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。

要点二: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1.24 × 104 Ω大幅增加到7.02 × 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。

要点三：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。

要点四：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。

前瞻

总的来说，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。

文章链接

Neuro-Receptor Mediated Synapse Device Based on the Crumpled MXene Ti3C2Tx Nanosheets

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104304

通讯作者简介

闫小兵教授。

河北大学电子信息工程学院教授，博士生导师。近年来致力于类脑芯片关键元器件忆阻器器件与系统的研发，先后获得国家重大人才工程-教育部青年长江学者、教育部霍英东青年教师奖、河北省青年科技奖、河北省青年五四奖章、河北省青年拔尖人才、河北省三三三人才二层次称号、河北省杰出青年、保定市科技进步一等奖等。在顶级国际权威期刊 Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Nature Communications等发表论文100余篇，其中影响因子>10共20余篇。以第一作者国家发明专利申请/授权共计 40/30 项，申请美国专利 1 项，为国家卡脖子问题提供技术储备，受到国内外同行的肯定和引用，2019年被评为全球前2%顶尖科学家。目前担任Frontiers in Neuroscience 杂志的客座主编，美国IEEE高级会员，Advance Materials、ACS Nano等国际权威期刊审稿人。

贾芸芳教授。

南开大学电子信息与光学工程学院微电子工程系教授，博士生导师，研究方向：生物医学电子工程。2004年在南开大学获得博士学位，2005-2007于南开大学生命科学院从事博士后研究，2009-2010德国菲利普斯马尔堡大学国家留学基金委访问学者。先后获得天津市科技进步一等奖，天津市科技进步三等奖，天津市生物医学工程学会理事。

第一作者简介

王开洋南开大学电子信息与光学工程学院博士研究生。

硕士毕业于河北大学闫小兵教授课题组，曾以第一作者在Nano Energy, Small, Adv. Electron. Mater期刊发表研究论文3篇。现阶段研究主要方向为基于神经突触的新型生化传感器件的设计与应用。曾获2020年河北省优秀硕士毕业生。