新型半導體纖維或可用于神經接口

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東華大學研究員王剛、朱美芳院士等聯合復旦大學附屬華山醫院手外科副教授蔣蘇等，首次在一維曲面結構表面實現了納米尺度離子異質結的可控構筑，獲得了具有千米級制造潛力的電子-離子雜化半導體功能纖維器件。基于信號在纖維離子結界面的單向傳輸特性，設計開發了纖維狀離子半導體核心元器件（離子二極管、離子雙極結型晶體管），并通過集成的纖維離子邏輯門，初步實現了離子信號的“0-1”邏輯運算。此外，其可作為神經接口，實現對周圍神經損傷后遠端神經的持續電刺激，延緩遠端肌肉萎縮，為神經損傷后錯過早期治療的患者恢復更好的運動功能提供了可能性。相關研究近日發表于《自然—通訊》。

據介紹，新研究在半導體功能纖維神經接口器件的設計和制備方面均取得了創新性突破。研究團隊采用“一體化反向電荷接枝”的設計思路，在商業聚合物表面分別化學接枝相反電荷的離子基團，并采用連續多層涂覆的方法，在碳納米管纖維上負載兩種帶相反電荷的聚電解質，實現該器件從納米級到千米級的跨尺度連續化制備。“我們的設計思路使得材料的制備更加簡便。同時商業聚合物的低成本和材料易得性，也讓該器件未來的產業化、規模化更具潛力和前景。”論文通訊作者王剛說。

“與以往的神經接口器件不同，我們研發的電子-離子雜化半導體纖維器件在形態和傳導功能上，都與人類的天然神經更為相近。”王剛介紹，電子-離子雜化半導體纖維器件可以通過離子電流在離子異質結界面上的單向傳輸模擬天然神經的去極化，實現神經沖動的傳導。“其結構特點還允許我們在對器件進行各項改進后，通過在單纖維器件上集成多個神經接口，實現對多個具體的神經分支進行植入式的神經電刺激。由于可以與目標神經直接接觸，這種刺激方式會更加有效和精準。”

微型化的一維(1D)纖維狀神經接口器件在形態上與神經相似，彎曲剛度顯著降低，可以以微創方式植入，在疾病診斷、醫療、人體增強等方面具有更好的適用性。為進一步探究電子-離子雜化半導體纖維器件作為神經接口的應用潛力，團隊將其與小鼠的坐骨神經進行端側吻合，檢驗其傳導神經信號的能力。實驗結果表明，該器件在植入小鼠體內之后，作為纖維狀離子二極管神經接口，可有效傳輸神經信號，成功誘導后肢關節的精細運動，延緩遠端肌肉的萎縮。此外，通過對單纖維器件集成構筑離子晶體管神經接口，能夠在毫秒級時間內實現神經信號的單向傳輸，這對在某些神經（如迷走神經）的單向刺激臨床應用中，具有潛在的價值。

王剛表示，作為潛在的神經接口器件，目前電子-離子雜化半導體纖維器件距離大規模的應用還有一定距離，后期仍要進行大量的前期試驗保障其安全性、可靠性和有效性。“基于該器件的研發理論和實驗基礎，我們相信在對其進行各項優化后能夠實現器件的量產化、規范化，最終把它作為神經接口，廣泛應用于開發診斷和治療、仿生神經元計算機接口和類腦智能等生物醫學設備方面”王剛說。

文章得到了東華大學朱美芳院士及王宏志教授等的指導。該研究受國家自然科學基金委重大研究計劃、中央高校基本科研業務費專項資金項目、上海市自然科學基金等項目的支持。

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電子-離子雜化半導體纖維器件及應用示意圖。東華大學供圖

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