生物有机胶原蛋白-石墨烯纳米纤维突触装置：模拟神经可塑性和脉冲时序依赖性可塑性

《Materials Today Nano》：Bio-Organic Collagen–Graphene Nanofiber Synaptic Device Emulating Neuroplasticity and Spike-Timing-Dependent Plasticity

生物可降解忆阻器设计：本研究通过电纺技术制备胶原蛋白-石墨烯纳米纤维（Col-Gr NFs），解决了胶原蛋白导电性差的问题。Ag/Col-Gr NFs/FTO器件表现出双极电阻开关特性，循环稳定性达15000次，记忆保持30,000秒，并模拟了突触可塑性行为，同时具有水降解性，为可持续生物电子器件提供了新材料。

　　

作者名单：Shivtej M. Mane | Amit A. Bagade | Kasturi A. Rokade | Sumedh S. Mahajan | Pooja D. Halagale | Sharmili A. Surve | Pooja P. Sonawane | Kiran A. Nirmal | A. Anto Jeffery | Young-Ho Ahn | Tae Geun Kim | Tukaram D. Dongale

印度马哈拉施特拉邦科尔哈普尔市希瓦吉大学纳米科学与生物技术学院计算电子与纳米科学研究实验室，邮编416 004

摘要

胶原蛋白是一种具有生物相容性和可生物降解性的生物聚合物，在生物电子学领域具有潜在应用价值；然而，其较差的电导率限制了其在电子设备中的使用。为了解决这一问题，我们将胶原蛋白与高导电性的二维石墨烯复合，并通过电纺技术制备了一维（1D）胶原蛋白-石墨烯纳米纤维（Col-Gr NFs）。由于这些纳米纤维在结构和功能上与生物神经元和突触相似，因此可以用于模拟神经可塑性，从而应用于类脑计算。Ag/Col-Gr NFs/FTO器件在±1V的电压范围内表现出良好的双极电阻切换特性。此外，该器件在15,000次循环测试中仍保持优异的稳定性，并能在两种记忆状态之间切换，记忆保持时间长达30,000秒。电荷-流量分析证实了该器件的非理想忆阻行为。通过不同的统计方法评估了其切换变异性。该器件能够模拟多种突触功能，包括增强作用、抑制作用、兴奋性突触后电流（EPSC/IPSC）、成对脉冲促进与抑制（PPF/PPD）以及两种类型的时序依赖性可塑性（STDP）。重要的是，Ag/Col-Gr NFs/FTO器件在水环境中能够完全降解，证明了其物理上的瞬态性质。这项工作展示了Col-Gr复合纳米纤维作为可持续人工突触器件新型材料的前景。

引言

随着对可持续、生物相容且节能的记忆技术的需求不断增加，人们对源自生物的纳米材料在下一代类脑和非易失性存储器件中的应用进行了广泛探索。近年来，忆阻器因其能够模拟突触可塑性并支持高密度、低功耗的信息存储而成为有力竞争者。忆阻器/忆阻器器件的功能依赖于电阻切换（RS）效应。传统上这些器件采用无机金属氧化物作为导电材料，但它们在下一代可植入式和环境友好型电子系统中的应用受到长期稳定性、细胞毒性和不可生物降解性等问题的严重限制。生物材料因其天然的生物相容性、环境友好性、机械灵活性、易于加工以及自然界中的丰富性而成为电子器件的理想替代品。近年来，基于蛋白质的生物材料（尤其是胶原蛋白）因其生物相容性和可生物降解性而被用于制造各种电子设备。胶原蛋白是最丰富的蛋白质之一，其独特的三螺旋结构有利于离子传导，使其成为软体生物电子学的理想候选材料。电纺制备的一维（1D）胶原蛋白纳米纤维（NFs）模仿了生物神经元的纤维结构，但在突触学习应用中的有效性受到其较差电导率的限制。通过与导电纳米材料的复合，可以显著提高胶原蛋白纳米纤维的电导率。在各种导电纳米材料中，石墨烯具有优异的导电性和稳定性，同时具备高的载流子迁移率、较大的表面积和机械灵活性，使其成为开发高性能电子器件的理想材料。

在本研究中，我们利用电纺技术制备了三种类型的纳米纤维：胶原蛋白纳米纤维（Col NFs）、石墨烯纳米纤维（Gr NFs）以及胶原蛋白-石墨烯纳米纤维（Col-Gr NFs），并将其用作忆阻器中的开关层。通过多种技术对这些纳米纤维的形态、元素组成、化学性质和电学特性进行了分析。结果表明，基于Col-Gr NFs的忆阻器表现出优异的双极电阻切换性能，并能够模拟多种突触功能。此外，该器件还展示了良好的非易失性存储特性。总之，本研究为下一代可生物降解忆阻器在可持续生物电子学中的应用提供了有力支持。

材料

所有化学品均为分析级，未经纯化直接使用。合成过程中使用了聚维吡咯烷酮（PVP，分子量约1,300,000 g/mol）、醋酸（98%，Thomas Baker）、胶原蛋白（95%，SRL Extrapure）、石墨烯纳米粉（SRL GPN Type 2）、乙醇和去离子水。作为基底电极使用了氟化锡氧化物导电基板（电阻率约为7 Ω·cm2）。

胶原蛋白纳米纤维（Col NFs）的合成

纳米纤维的合成过程如图1所示。首先采用超声处理...

纳米纤维的物理化学表征

采用多种分析技术对制备的纳米纤维进行了表征。图2展示了Col NFs、Gr NFs和Col-Gr NFs的形态、元素组成和尺寸分析。FESEM图像显示，所有纳米纤维都呈长而连续的纤维状结构，形成了高度互连的一维（1D）网络（图2a）。这种结构类似于人脑中的神经元和突触之间的连接方式...

结论

总结来说，我们通过电纺技术成功合成了胶原蛋白、石墨烯和胶原蛋白-石墨烯复合纳米纤维，并利用多种分析方法对其进行了系统表征。在所有器件中，Ag/Col-Gr NFs/FTO器件表现出稳定的双极电阻切换行为、优异的耐久性（15,000次循环）和记忆保持能力（30,000秒）。所有器件均表现出非理想的忆阻特性。统计分析进一步证实了基于Col-Gr NFs的忆阻器的高可靠性...

作者贡献声明

Kasturi A. Rokade：验证、方法论、实验设计、数据分析。 Amit A. Bagade：资源调配、方法论、实验设计、数据分析。 Pooja D. Halagale：数据可视化、方法论、数据分析。 Sumedh S. Mahajan：数据可视化、验证、方法论、数据分析。 Young-Ho Ahn：资源调配、项目管理、资金获取、数据分析。 A. Anto Jeffery：数据可视化、资源调配、资金获取、数据分析。 Tukaram D. Dongale：论文撰写。

数据获取说明

本研究的相关数据可向通讯作者申请获取。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突或个人关系。

致谢

TDD感谢科学与工程研究委员会（DST-GoI）通过“州立大学研究卓越计划”（SERB-SURE，项目编号SUR/2022/000765）提供的研究资助。同时，作者也感谢RUSA-Maharashtra在“RUSA-工业资助的VLSI系统设计中心”项目中的财政支持。