Mater. Horiz.|中南大学蒋杰：基于蚕丝蛋白/海藻酸钠交联水凝胶的痛觉敏化增强垂直晶体管

▲第一作者：苏静雅

通讯作者：蒋杰

通讯单位：中南大学

论文DOI：10.1039/D2MH01431A

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全文速览

近日，中南大学蒋杰课题组发展了一种基于蚕丝蛋白/海藻酸钠交联水凝胶的低电压垂直晶体管。该器件具有超低工作电压（0.6V）和超短沟道（<10nm）以及巴普洛夫训练增强疼痛敏化能力。

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背景介绍

疼痛是人体受到外界环境伤害时发出的一种保护信号。但是，如果不采取防御措施，痛觉程度就会加剧，甚至演变为中枢神经系统的可塑性变化。更严重的是，基于中枢敏化的持续疼痛体验和疼痛记忆会导致大脑皮层形态变化的综合症，也就是大脑皮层重组。因此，从神经生物学出发，探索具有多态疼痛敏化特性和调控能力的固态器件具有重要意义。

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研究出发点

目前的人工痛觉感受器虽然能实现一定的疼痛感知功能，但由于器件工作电压较大且不具有可调的多态疼痛敏化能力，因此实现高效的人工痛觉感受器仍然是一个很大挑战。此外，痛觉、记忆和可调疼痛敏化等功能也很难在单一器件系统中实现，导致未来人工痛觉感受器的系统设计复杂、能耗较高。因此，进一步开发具有多态疼痛敏化特性和调控能力的高性能固态器件对于新一代智能仿生电子产品，如仿生机器人、智能医疗设备等具有重要意义。

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图文解析

从痛觉感知器件的电压特性出发，我们对晶体管栅介质和器件结构进行了深入探索。为了增强电介质的离子电导特性，我们发现天然高分子的杂化交联是制备新型多功能离子器件最简单、最经济的方法之一。蚕丝蛋白是从家蚕中提取的天然生物材料，其β-晶体网络是体现蚕丝蛋白材料宏观行为的关键结构。研究表明，蚕丝蛋白材料的介观重建可以赋予材料新的功能。海藻酸钠被认为是将自身引入蚕丝蛋白材料实现介观功能化的理想材料（如图1所示）。有鉴于此，课题组基于蚕丝蛋白/海藻酸钠交联水凝胶作为质子导电固态电解质，制作了基于超低电压（0.6V）超短沟道（~9.6nm）的垂直In-Sn-O（ITO）晶体管。

▲Figure1.基于介观功能化方法的器件制备工艺流程

我们对蚕丝蛋白、海藻酸钠以及蚕丝蛋白/海藻酸钠进行了傅里叶红外光谱测试，详细研究了各自的官能团构成以及波峰转移情况。利用电容-频率测试方法研究了这三种不同栅介质对应的电容频率依赖特性，发现蚕丝蛋白/海藻酸钠膜表现出很强的电容频率依赖性，这种特性是由离子聚合物电解质中移动质子的迁移引起的。除此之外，对这三种不同栅介质进行了SEM测试，同时对基于蚕丝蛋白/海藻酸钠晶体管的ITO氧化物沟道进行了AFM表征测试，发现该晶体管具有9.6nm的超短沟道（如图2所示）。

▲Figure2.器件结构、形貌表征和电学行为

在痛觉传递通路中，突触可塑性对调节痛觉传递过程具有重要作用。这种突触可塑性行为源于两个相邻神经元之间突触连接通信的强度。突触可塑性行为包括兴奋性突触后电流、双脉冲易化、神经滤波特性等行为（如图3所示）。通过对垂直晶体管施加电、光刺激来模拟突触前输入信号，该神经形态晶体管能够很好模拟突触可塑性行为，也能实现从不痛到痛的痛觉阈值感知过程。

▲Figure3.电、光刺激模拟突触功能

只有当有害刺激，如大的机械刺激或强的化学刺激超过阈值水平时，痛觉伤害感受器才能被激活。当有害刺激超过一定的阈值时，痛觉会被唤起。水凝胶离子晶体管可以模拟这种疼痛感知过程。通过施加不同振幅、不同持续时间的尖峰脉冲，可以实现从不痛到痛的痛觉感知。更重要的是，该人工痛觉感受器的整个工作过程只需要仅仅0.6 V的电压，显著降低了器件的工作电压（如图4所示）。

▲Figure4.模拟疼痛感知和疼痛敏化

大脑中存在两条并行处理伤害信息的通路：外侧疼痛系统(传递疼痛的感觉)和内侧疼痛系统(传递疼痛的情绪信息) 。受人类疼痛系统的伤害处理通路启发，该神经形态器件能够利用巴甫洛夫训练过程实现从正常损伤状态到低敏化模式乃至高敏化模式的转变，表明疼痛刺激与记忆行为之间的联想训练可以促进中枢敏化的形成。通过灵活调节在光电协同训练过程中尖峰持续时间和尖峰数量，初步在固态器件中模拟验证了由皮质重组引起的中枢敏化行为（如图5所示）。

▲Figure5.水凝胶离子晶体管中枢敏化的可塑性

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总结与展望

本文提出了一种由混合聚合物水凝胶电解质栅控的垂直超低电压超短沟道光电晶体管，并通过巴甫洛夫训练过程模拟了疼痛敏化增强行为。利用该晶体管成功模拟了外周敏化和中枢敏化的关键特征，如疼痛阈值、疼痛敏化等。该器件可用于进一步评估不同外部刺激下的不同损伤程度和致敏程度。更重要的是，通过巴甫洛夫训练可以实现不同的初级损伤状态向更高中枢敏化的转变。具有多态疼痛敏化增强能力的神经形态晶体管在多维疼痛评估中具有很大的应用前景，也可为未来智能医疗设备和可穿戴电子产品的发展提供一个新的途径。

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致谢

相关论文发表在Materials Horizons上，课题研究得到了国家自然科学基金项目(No. 52172169)和中南大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(No. 2021zzts0496)资助。

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/MH/D2MH01431A