近日悯辙，哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)電子轉(zhuǎn)化實驗室(作者GeorgeD. Spyropoulos, Jennifer N. Gelinas Dion Khodagholy)的一項工作作為封面文章發(fā)表在了ScienceAdvances雜志上(2019年3月刊)鹰晨。他們開發(fā)出了第一個具有生物相容性的離子驅(qū)動的晶體管茸时。這項技術(shù)在在體電生理信號采集和神經(jīng)刺激方面具有重要的意義溉躲。
晶體管在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用價值不言而喻。手機(jī)盯仪、電腦绝骚、人工智能的核心都是芯片，而芯片上有大量納米尺度上建筑的晶體管寺庄，把這些晶體管稱為現(xiàn)代社會的基石也不為過艾蓝。目前的晶體管還只能在硅晶圓上搭建，硅晶圓是從單晶硅上切割斗塘、打磨成200到300微米厚的硅片赢织。由于硅的剛度較強(qiáng)，因此芯片不能受力馍盟，所有的芯片要被包裹在厚厚的塑料封裝里才能使用敌厘。柔性電子是目前材料科學(xué)和微電子學(xué)的一個重點(diǎn)研究方向。前一段時間驚艷亮相的華為折疊屏手機(jī)其實就是柔性電子學(xué)可能為我們生活帶來改變的實例朽合。
那么回到神經(jīng)科學(xué)方向，柔性電子能為我們帶來什么呢饱狂？由于神經(jīng)元直接產(chǎn)生電信號曹步，因此，直接通過電極來記錄神經(jīng)元活動的電生理技術(shù)目前還是最重要的一項研究手段休讳。人們使用的電極也經(jīng)歷了很多不同的時期讲婚，每個時期都有相關(guān)的重要代表技術(shù)。從最初的玻璃電極(1960s)俊柔、金屬微絲電極（1970s）筹麸、硅電極(1980s)到現(xiàn)在的柔性電極活合。除了材料變化外，電極的密度也在一直提高物赶。目前的高密度電極可以記錄將近1000個通道白指，像Neuropixel硅電極和NeuroGrid柔性ECoG電極。Neuropixel電極雖然有960個通道酵紫，但同時記錄的通道只有320個告嘲，只有三分之一。這是由于另一個技術(shù)限制導(dǎo)致的奖地，我們目前沒有很好的技術(shù)手段來制作高通道的放大器橄唬。如果采用硅基芯片，那么在植入時必然存在各種尺寸限制和生物相容性的問題参歹。而這些問題恰恰是有機(jī)柔性電子的長項仰楚，而且有機(jī)柔性電子還存在結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低的優(yōu)勢犬庇。以O(shè)ECT(Organicelectrochemical transistor)為代表的有機(jī)晶體管技術(shù)也早在1980s就已經(jīng)提出僧界，但是一直很難進(jìn)入實用，主要原因是設(shè)備需要溶液中的離子進(jìn)出溝道械筛，降低了設(shè)備的速度捎泻。
實際上，有機(jī)晶體管的跨導(dǎo)率(gm=i/v)非常高埋哟，非常適合做低速信號的放大器笆豁，但目前的設(shè)備速度依然是限制應(yīng)用的主要瓶頸。為了解決有機(jī)晶體管的速度瓶頸赤赊，文章的作者George設(shè)計了一種新型的有機(jī)晶體管(IGT,Ion-driventransistor)闯狱。
這種晶體管創(chuàng)新性的將離子鎖定在導(dǎo)電有機(jī)聚合物溝道里，而使設(shè)備的速度大大提高抛计。上圖左側(cè)是IGT結(jié)構(gòu)的示意圖哄孤，右側(cè)是顯微鏡和電鏡下的設(shè)備照片。設(shè)備是典型的三極晶體管結(jié)構(gòu)吹截，源極瘦陈，漏極和柵極。源極和漏極之間的溝道通過導(dǎo)電有機(jī)材料PEDOT:PSS(柔性電子領(lǐng)域明星材料)構(gòu)成波俄。柵極通過chitosan(聚殼糖)構(gòu)成晨逝，可以吸收離子。在PEDOT:PSS構(gòu)成的溝道中懦铺，作者加入了右旋山梨糖醇捉貌，用來吸收水分子。這種結(jié)構(gòu)使離子保存在溝道中，而不是需要從電解液中進(jìn)出趁窃。
作者接下來研究了不同電極尺寸對設(shè)備性能的影響牧挣，并比較了IGT和傳統(tǒng)的OECT之間的性能。
在同樣的電極尺寸下醒陆，IGT比OECT有了6倍左右的提升瀑构。在最優(yōu)的電極尺寸下，設(shè)備達(dá)到了380KHz的帶寬统求，已經(jīng)滿足了電生理放大器的需求检碗。
最后，作者設(shè)計了由級聯(lián)的IGT構(gòu)成的腦電放大器码邻，并成功采集到了高質(zhì)量的腦電信號折剃。
結(jié)語：
這篇文章是有機(jī)柔性放大器領(lǐng)域中的重要工作，可能對未來的可植入設(shè)備像屋、腦機(jī)界面等設(shè)備的形式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響怕犁。可能的設(shè)備形式比如完全柔性可長期植入的神經(jīng)電極己莺、深部腦刺激器奏甫、植入性的高分辨率心電監(jiān)護(hù)設(shè)備等等。柔性電子在將來甚至可以作為承載深度學(xué)習(xí)的計算單元而直接植入體內(nèi) (van De Burgt, Yoeri, et al."Organic electronics for neuromorphic computing."?Nature Electronics?(2018))凌受。目前神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)成為了新的技術(shù)高地阵子，也成為了打通各個學(xué)科之間壁壘的通道，神經(jīng)科學(xué)中不同學(xué)科之間的協(xié)同程度之高是前所未見的胜蛉，我們需要放下傳統(tǒng)上對各個專業(yè)方向的定義挠进，不要限制自己的視野，才能在目前的時代做出卓越的工作誊册。
第一次寫評論领突，以后有時間會陸續(xù)寫一些文章介紹和專題，感謝大家抽時間閱讀案怯！
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http://advances.sciencemag.org/content/advances/5/2/eaau7378.full.pdf
