基于离子调制层状半导体的TRPV1启发热痛觉感知系统及其痛觉敏化应用

《Biosensors and Bioelectronics》：A TRPV1-inspired thermal nociceptive sensing system based on ion-modulated layered semiconductors for nociceptive sensitization

　　

**摘要**

能够区分无害和有害热刺激的热伤害性感觉传感器对于自保护人形机器人、自适应假肢和智能人机交互至关重要。然而，大多数人工热伤害性感受器缺乏模拟由瞬态受体电位香草酸亚型1(TRPV1)介导的生物热伤害性感觉所需的阈值样特性、非线性和离子介导机制，而TRPV1是人类中一种关键的热激活离子通道蛋白。在此，我们报道了一种基于层状半导体的神经形态热伤害性感觉传感系统，该系统由离子调控热传感器(iRTS)和离子门控突触晶体管(iGST)组成。通过对层状WSe2/MoS2异质结中非线性热激活电荷传输的离子调控，iRTS在约320 K处表现出明显的转折点，接近人体有害热感知阈值，在此温度以上，热诱发电流以高达约35% K?1的高灵敏度非线性增大，同时保持0.005 K的超高分辨率和毫安级的热诱发输出电流。通过将iRTS与iGST集成，这些热伤害性感觉信号被进一步转换为具有自适应阈值调节和致敏行为的突触后输出，包括痛觉超敏和机械痛觉过敏——这些是生物热伤害性感觉的关键特征。此外，iGST的输出被定量映射到预测的机器人手指角度响应，将人工伤害性感觉通路从热感知和突触处理扩展到行为层面的输出。这些结果建立了一个高性能的神经形态热伤害性感觉传感器平台，并为智能机器人和自适应人机接口提供了器件层面的策略。

**引言**

受生物智能的显著效率、适应性和鲁棒性的启发，大量研究工作致力于使用电子系统模拟生物感觉和认知功能(Wang等, 2022, 2023; Hong等, 2025)。这些努力不仅旨在推动人工智能超越传统计算，还旨在赋予电子器件仿生能力，使其类似于生物体感知、处理和响应环境刺激的方式(He等, 2023; Kim等, 2018)。在这些生物功能中，感觉系统是生物体与其周围环境之间的关键界面，为智能行为和生存奠定了基础(Abraira和Ginty, 2013; Scheibert等, 2009; Wan等, 2020; Wang等, 2021)。痛觉感知是生物体的基本保护功能，使其能够快速响应潜在的有害环境刺激，从而防止组织损伤(Donnelly等, 2020; Wiech等, 2008; Woolf和Salter, 2000)。在各种感觉模式中，热伤害性感觉通过检测超过生理耐受度的有害温度发挥特别关键的作用，这与编码无害温度变化的常规热感受器不同，常规热感受器通常表现出感觉适应(Defrin等, 2002; Green, 2004; P等, 1996)。在分子水平上，热伤害性感觉主要由瞬态受体电位(TRP)离子通道启动，其中TRPV1发挥着关键作用，在生物学中提供保护机制(Caterina等, 1997)。TRPV1作为一种热激活离子通道，响应有害热刺激(通常为超过43 °C的温度)而开启，允许Ca2+和Na+等阳离子内流。这种离子内流使伤害性感觉神经元去极化，产生动作电位，随后通过神经系统中的突触连接进行传递和调节(图1a)(Patapoutian等, 2003; Roy等, 2025)。除了简单的信号转导外，热伤害性感受器由于TRPV1介导的通路而表现出独特特征，包括明确的激活阈值、强非线性、持续刺激下的非适应性响应以及活动依赖性致敏，从而产生痛觉超敏和机械痛觉过敏等复杂疼痛现象(Jensen和Finnerup, 2014; Sandkühler, 2009)。

在人工系统中复制如此复杂的感知行为对于智能和自适应神经形态感知技术的发展至关重要。然而，大多数传统人工伤害性感觉系统遵循基于冯·诺依曼模型的集中式和顺序处理方案，在很大程度上依赖外部电路或基于软件的算法来近似疼痛相关行为(Park等, 2023; Xia和Yang, 2019)。这导致系统复杂度和能耗增加，并偏离了生物系统中观察到的去中心化和物理驱动的信息处理(He等, 2023)。神经形态电子学受神经系统工作原理的启发，为克服这些局限性提供了一条有希望的路径(Cao等, 2024; Lee等, 2018; Park等, 2020; van de Burgt等, 2018; Zhao等, 2024)。通过利用材料和器件的物理动力学来模拟神经和突触功能，神经形态系统实现了存内计算、并行信息处理和自适应学习行为(Byun等, 2023; Huang等, 2024; Ohno等, 2011; Wang等, 2019)。特别是，突触晶体管和相关的神经形态器件已证明能够再现关键突触特性，如兴奋性突触后电流、短时程可塑性和长时程可塑性(Bak等, 2023; Kim等, 2018; Wang等, 2018)。值得注意的是，这些行为中的许多源于离子介导的过程，包括离子迁移、积累和弛豫，这些过程与生物突触中的神经递质转运和离子通道动力学非常相似(Branco等, 2010; Destexhe, 2010; Ro等, 2025a, Ro等, 2025b, n.d.; Wang等, 2023)。这种离子机制自然地引入了时间依赖性和历史敏感性，使其特别适合于模拟伤害性感觉功能，相关研究已对此进行了探索(Li等, 2022; Xu等, 2024; Yoon等, 2018; Zhu等, 2025)。

然而，大多数先前的努力主要集中模仿伤害性感觉系统的单个组件——要么是传感器，要么是突触——而没有捕捉到神经形态特性的全谱，如离子性、阈值行为、非线性以及具有大量热诱发电流的高灵敏度。虽然开发能够模拟突触功能的突触器件已取得显著进展，但致力于创建直接复制生物热伤害性感受器复杂行为的热传感器的研究较少(Bhatnagar等, 2022; Li等, 2022, 2025, 2024; Shi等, 2023; Xu等, 2024)。这一研究空白凸显了对既能感知又能处理伤害性感觉信号的生物忠实型集成系统的需求。

上述所有热伤害性感觉能力的决定因素依赖于热敏活性材料。为了实现这些功能，开发了各种材料。聚合物半导体已被用于实现多模态和多功能集成的热感知，但它们缺乏模拟伤害性感觉行为所需的本质离子性和非线性特性(Chen等, 2025)。石墨基热传感器虽然能够表现出类似TRPV1的非线性温度响应，但缺乏离子性且灵敏度较低，从而限制了其实际应用(Al Shboul等, 2025)。类似地，水凝胶已被引入构建离子型热传感器，但其线性热感知特性导致缺乏阈值特性，且其灵敏度(约2%/K)显著低于模拟TRPV1所需的要求(>10%/K)(Caterina等, 1997; Roy等, 2025; Voets等, 2004)。相比之下，过渡金属二硫化物(TMD)层状半导体具有高载流子迁移率、高比表面积和原子级厚度，在高性能热感知方面具有重要意义(Manzeli等, 2017; Zeng等, 2021)。特别是，基于MoS2的材料也在化学和电化学传感器中得到广泛探索，包括电化学发光传感平台，因为其层状结构和表面活性促进了界面电荷转移和分析物相互作用(Liu等, 2023)。此外，它们的化学和结构多样性还使TMDs易于溶液加工，从而获得各种低成本、低功耗和柔性的电子器件，使其非常适合集成到神经形态系统中(Kelly等, 2017; Zhang等, 2025)。

在此，我们报道了一种利用离子调控TMD层状半导体模拟热伤害性感觉感知关键功能机制的神经形态热伤害性感觉传感系统。该系统包含一个基于层状WSe2/MoS2异质结的离子调控热传感器，再现了与TRPV1介导的有害热感知相关的特征，包括阈值触发响应和热诱发电流的非线性放大。它还采用离子介导的电荷传输来支持拟定的伤害性感觉功能模拟，确保热感知与自适应的离子驱动处理相结合。为了进一步模拟伤害性感觉神经可塑性，采用层状MoS2制造的离子门控突触晶体管参与伤害性感觉刺激的传递和处理，能够模拟关键可塑性特征，如兴奋性突触后电流(EPSCs)和配对脉冲易化(PPF)，这些特征对于处理伤害性感觉信号和长期学习至关重要。这些组件共同用于构建一个全面的神经形态感知系统，模拟热伤害性感觉感知和处理所必需的完整离子驱动动力学。在这个集成的神经形态感知系统中，突触晶体管的最终输出反映了仿生的全谱行为，结合了热传感器和突触晶体管的感知和处理功能。传感器和晶体管不是作为孤立器件运行的，而是协同工作，晶体管输出动态响应热刺激并表现出学习依赖性致敏，反映了生物系统中观察到的痛觉超敏和机械痛觉过敏。为了进一步说明这一集成通路的应用潜力，突触后输出被映射到预测的机器人手指角度响应，将器件层面的热伤害性感觉扩展到保护性动作的行为层面表征。我们的工作建立了一个从热检测到神经形态热伤害性感觉器件的器件层面通路，为在机器人、假肢和人机交互中实现自适应感知智能提供了平台。

**部分摘要**

**MoS2和WSe2纳米片的制备**

将MoS2或WSe2粉末(99.5%金属基准，阿拉丁公司)以50 mg/mL的浓度溶解在1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP, 99.9%，电子级，阿拉丁公司)中，并以450 W超声处理1小时(TL-650超声处理器，江苏天灵有限公司)。为了去除未剥离的厚片，将分散液在5000 rpm下离心2小时(Eppendorf离心机5804，Eppendorf公司)。弃去上清液，将沉淀重新分散在新鲜NMP中，随后…

**受生物启发的离子介导人工热伤害性感觉通路设计**

人类的热伤害性感觉由TRPV1通道介导，其中伤害性热刺激(通常>43 °C)通过激活TRPV1通道中的离子内流(如Ca2+、Na+)产生膜电流。这些电流具有非线性、阈值、高灵敏度以及高热诱发电流等特征，随后被传递并通过触发突触中的Ca2+内流诱发突触后电位(图1a)。为了模拟感知过程，我们引入了一种完全…

**总结**

总之，我们报道了一种基于离子调控层状半导体的神经形态热伤害性感觉传感系统，该系统集成了高性能热感知和神经形态突触处理。离子调控热传感器不仅仅是检测温度；而是将热刺激转导为TRPV1样伤害性感觉信号，在约320 K以上表现出阈值样激活、强非线性、高达约35%K?1的高灵敏度、0.005 K的高分辨率以及大的热诱发电流。

**CRediT作者贡献声明**

张杰华：撰写–原稿、方法论、概念化。陈欣欣：验证、资源、调查。赵妮：调查。徐海华：撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能会影响本文所报道的工作。

**致谢**

我们 gratefully 感谢来自中国国家自然科学基金广东省项目(2026A1515011899)和中国深圳市基础研究计划(JCYJ20220531102004010)的资助。

张杰华|陈欣欣|赵妮|徐海华
深圳大学医学部生物医学工程系，深圳，518061，中国