植入式离子忆阻器基于天然聚合物异质结

《Advanced Functional Materials》：Implantable Ionic Memristors Based on Natural Polymer Heterojunctions

　　

忆阻器通过表现出依赖于先前刺激的电导调制来模拟人脑的突触可塑性，从而实现信息处理和存储的同时进行。离子忆阻器利用生物离子（如K⁺、Cl^?）的迁移，表现出历史依赖的突触可塑性，并提供比传统固态电子忆阻器更具生物相容性的方法。然而，现有的离子忆阻器通常采用刚性基底和生物不相容材料，限制了其在植入式设备中的潜力。在此，研究人员报告了一种完全生物相容的天然聚合物基离子忆阻器，由透明质酸水凝胶、壳聚糖水凝胶和聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底组成。透明质酸和壳聚糖是广泛用于生物医学应用的可生物降解天然聚合物，而PDMS是一种具有安全性的生物相容弹性体。此外，该忆阻器作为动态忆阻器运行，能够执行储层计算。通过该忆阻器实现的储层计算达到了98.94%的预测准确率，同时训练时间比未集成忆阻器的系统减少了36.8%。值得注意的是，该设备在植入后仍保持计算性能，并在体外和体内评估中表现出优异的生物相容性。总体而言，这些结果突出了该设备作为植入式平台用于生物集成计算和下一代生物医学工程的潜力。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
人脑通过调节突触离子通道实现信息的同时处理与存储，这被称为突触可塑性，是神经网络功能的基础。忆阻器作为一种基于材料的器件，其电导依赖于先前输入，能够模拟突触可塑性并实现并行信息处理与存储。其中，离子忆阻器通过生物离子（如K⁺、Cl^?）的迁移运作，表现出历史依赖的电导调制，相比固态电子忆阻器具有更高的生物相容性。然而，现有离子忆阻器通常采用刚性基底和生物不相容材料，这限制了其与软生物组织的贴合性，且用于离子传导的聚合物常带有永久表面电荷，可能引发细胞毒性反应。因此，开发一种完全生物相容、可植入的离子忆阻器对于人机接口和体内生物医学应用至关重要。

**研究内容与结论**
研究人员开发了一种完全可植入的天然聚合物基离子忆阻器（NIM），由透明质酸（HA）水凝胶、壳聚糖（CS）水凝胶和聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底组成。HA和CS是可生物降解的天然聚合物，广泛用于生物医学材料，而PDMS提供机械柔韧性和结构稳定性。该设备在HA-CS异质结处表现出电压方向依赖的离子传导，归因于HA和CS之间电荷选择性的差异，从而产生历史依赖的电导态和增强-抑制功能，这是忆阻器的特征。该设备作为动态忆阻器，能够执行储层计算（RC）。在MNIST手写数字识别任务中，集成NIM的RC系统达到98.94%的预测准确率，训练时间比未集成忆阻器的系统减少36.8%。值得注意的是，在皮下植入小鼠体内5天后，NIM仍保持98.79%的预测准确率。体外细胞毒性实验（Live/Dead和CCK-8）显示，小鼠星形胶质细胞（C8-D1A）、人胶质母细胞瘤（U-87 MG）和人真皮成纤维细胞（HDFs）在NIM洗脱液中存活并增殖；体内组织学分析（H&E染色）显示植入后皮肤组织无显著炎症或坏死。该研究发表在《Advanced Functional Materials》。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：
- 制备光固化透明质酸（GMHA）和甲基丙烯酰胺壳聚糖（CHMA）水凝胶前体，通过紫外光固化形成水凝胶。
- 利用PDMS微通道封装HA-CS异质结，通过氧等离子体处理与光引发剂（二苯甲酮）实现水凝胶与PDMS的化学键合。
- 使用电化学阻抗谱（EIS）和直流（DC）测量表征电学特性。
- 基于MNIST数据集（70,000张手写数字图像，28×28像素），将图像预处理为22×20二值像素，编码为电压脉冲序列，通过NIM生成模拟储层状态，再训练多层感知机（MLP）读出头进行分类。
- 体内植入实验使用8周龄雄性BALB/c小鼠（购自Nara Biotech），皮下植入NIM，5天后取出评估RC性能。
- 生物相容性评估包括CCK-8细胞增殖实验、Live/Dead荧光染色和H&E组织学染色。

**研究结果**
**2.1 NIM的忆阻行为与电学性质**
NIM表现出整流电流-电压特性，具有夹紧滞回环，非零交叉电压（V_cp=64 mV）。在高于V_cp的电压下呈现反向滞回（类似电感行为），低于V_cp时呈现正常滞回（类似电容行为）。扫描速率增加时，整流比和滞回环面积减小。直流偏压测试显示，在V_cp处电流稳定，高于V_cp时电流逐渐增加（离子积累），低于V_cp时电流逐渐减小（离子耗尽）。三角波脉冲测试证实极性依赖的电流响应。电化学阻抗谱表明，反向偏压（-1 V）下HA-CS异质结的体电阻（4.048 MΩ）约为CS-CS同质结的35倍，表明界面处离子耗尽；正向偏压（+1 V）下体电阻仅为HA-HA同质结的1.07倍。这些结果证实离子选择性驱动积累与耗尽，构成忆阻行为的主要机制。方波脉冲测试显示，设备支持可靠且可调的电导调制，通过调整脉冲宽度和频率实现历史依赖的增强与抑制。

**2.2 集成NIM的储层计算系统**
NIM在重复电压脉冲下表现出不同的响应：反向偏压（-1 V）下通过离子耗尽形成短期可塑性，快速达到最大耗尽态；正向偏压（+1 V）下通过离子积累形成短期可塑性，电流逐渐增强，且电压归零后出现反向电流（离子弛豫）。利用这种可调短期记忆特性，NIM作为物理储层执行RC。在4位序列任务中，输出电流显示16个清晰分离的电流水平，标准差为0.0005–0.008 μA（对应电流水平的0.017%–0.27%），表明响应稳定且可区分。在MNIST手写数字识别中，将440位二值图像序列分割为110个4位段，编码为电压脉冲施加到NIM，生成110个模拟储层状态，再输入三层MLP读出头。5折交叉验证显示，NIM集成RC达到98.94%的预测准确率，而未集成RC的ANN为97.8%；达到97.8%准确率所需的训练轮数减少36.8%。混淆矩阵显示各类别预测准确率分布均匀。

**2.3 植入后储层计算与NIM的生物相容性**
NIM植入小鼠皮下5天后取出，进行RC测试，达到98.79%的预测准确率，优于未集成忆阻器的ANN。体外生物相容性：Live/Dead染色显示C8-D1A和U-87 MG细胞在NIM洗脱液中培养3天仍存活并增殖；CCK-8实验显示HDFs细胞活力与对照组相当。体内组织学：H&E染色显示植入后第4天皮肤组织形态与对照组相似，无炎症浸润或组织坏死。

**结论与讨论**
研究人员开发了一种完全软且生物相容的植入式NIM，通过将HA-CS异质结集成到PDMS微通道中实现。扫描速率依赖的电流-电压特性满足忆阻器的三个标志性特征，赋予NIM电压可调短期记忆。利用该特性，NIM在储层计算框架中作为物理储层，在手写数字识别中达到98.94%的准确率，训练时间减少36.8%，植入后仍保持98.79%的性能。体外细胞相容性和体内组织学表明低毒性低炎症，使NIM成为植入式人机接口和下一代生物医学计算的有前景平台。研究结论：这项工作展示了完全植入式计算设备的关键一步，可与生物系统无缝连接。这些进展可扩展到需要时间信息处理的应用，如生物信号滤波、癫痫预测和个性化药物递送系统。向多通道架构扩展可能最终实现复杂生理数据的自主芯片分析，用于精准医学。