摘要
关键词
- 反双极性 (Antiambipolarity)
- 有机电化学神经元 (Organic Electrochemical Neuron, c-OECN)
- 混合导电聚合物 (Mixed Ion–Electron Conducting Polymers)
- 离子调控 (Ion Tuning)
- 神经形态传感 (Neuromorphic Sensing)
- 生物整合 (Biointegration)
- 生物信号调制 (Biochemical Signal Modulation)
研究背景
生物神经元依赖膜电位尖峰进行信息传递,这种过程由细胞膜内的离子通道(如钠通道和钾通道)动态控制。传统的人工神经元通常基于硅基电路,尽管可以模拟部分神经功能,但其制造复杂且缺乏生物兼容性和离子/化学信号调控能力。有机电化学晶体管(OECT)因其低工作电压、生物相容性和高离子灵敏度,为构建类似生物的电化学神经元提供了可能性。本研究利用反双极行为实现了生物真实的尖峰动态,并首次将其应用于生物体内的神经刺激。
创新点
- 开发了基于反双极特性的离子调控机制,模拟了钠通道的激活和失活特性。
- 实现了接近100 Hz的生物真实尖峰频率和多种神经行为的模拟。
- 展示了通过离子、神经递质和氨基酸调控尖峰行为的能力。
- 成功将c-OECN与小鼠迷走神经整合,用于心率调节。
研究内容
本研究利用含刚性梯形结构的聚合物(BBL)构建了具有反双极特性的OECT,用于模拟生物神经元中的钠钾离子通道动态。实验表明,通过调节电路中的膜电容和通道阻值,可以实现从5 Hz到100 Hz的尖峰频率。通过外加钙离子、神经递质和氨基酸等生物分子,进一步调节了尖峰行为的模式。研究还验证了c-OECN在体内生物信号感知和神经刺激的可行性,例如通过调节钠离子浓度实现对小鼠迷走神经的控制,从而降低心率。这一整合展示了c-OECN在生物医学领域的巨大潜力。
结论与展望
本研究开发的c-OECN展示了离子驱动的尖峰行为和高度生物相容的特性,为类生物电化学神经元的研究开辟了新路径。未来研究可探索其在复杂生物信号环境中的稳定性,并开发智能闭环系统,用于生物医学领域如炎症调控、代谢控制和脑机接口。
论文直达
原文标题:Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion–electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons
原文卷期号:Nature Materials 2023, 22, 242–248
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