具有突触前抑制模拟功能的自支撑、可降解的氧化物基突触晶体管

《Journal of Alloys and Compounds》：Self-Supported Degradable Oxide-Based Synaptic Transistors with Presynaptic Inhibition Mimicry

本研究利用天然Konjac葡聚糖（KGM）制备自支撑柔性膜作为可降解氧化物电解质门控突触晶体管的基材，成功模拟了兴奋性突触后电流（EPSC）、脉冲耦合增强（PPF）及长短程突触可塑性（STP/LTP），首次实现了光辅助刺激下的突触前抑制，并通过调整电刺激间隔实现突触传递的STF到STD动态转换。器件在完成特定突触功能后可在环境水中完全降解，为绿色可穿戴电子器件提供了新方案。

　　

蔡一燕|黄坤文|朱磊|郑志伟

厦门大学电子科学与工程学院，中国厦门361005

摘要

在本研究中，我们利用基于天然海藻胶葡甘露聚糖（KGM）的自支撑膜作为柔性基底和栅极介质，构建了可降解的氧化物基电解质栅控突触晶体管，这些晶体管能够在多种弯曲表面上保持稳定的突触行为。除了在光和电刺激下实现基本的突触行为外，这些设备还首次成功模拟了光辅助刺激下的突触前抑制现象，进一步扩展了人工突触行为。此外，这些设备在完成特定功能后可以在环境中水分解，有效减少环境污染。这些发现显示了基于KGM的可穿戴突触晶体管在未来的“绿色”电子应用中的巨大潜力。

引言

受大脑启发的神经形态计算已成为解决传统冯·诺依曼瓶颈的有效方法，因为它具有大规模并行性和低功耗的固有优势。为了构建能够模拟突触可塑性的高效人工神经形态系统，柔性人工突触至关重要，特别是在可穿戴人工神经形态计算应用中。与刚性无机基底（例如硅[1]、[2]、[3]和玻璃[4]、[5]、[6]、[7]）相比，聚合物基底（包括常用的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[8]、[9]、[10]和聚酰亚胺（PI）[11]、[12]、[13]）对于实现突触设备的柔性至关重要，因为它们具有可重复的弯曲性。然而，这些聚合物基底往往过于厚重且不可生物降解，这限制了它们在生物相容性场景中的实际应用。为了解决这一挑战，开发具有生物降解性的自支撑突触设备已成为紧迫的研究重点。制造此类设备的主要挑战在于开发柔性且可生物降解的栅极介质——这是使设备能够模拟突触行为的关键组件。迄今为止，只有少数使用有限材料制造的突触设备同时实现了柔韧性和生物降解性[14]、[15]。例如，杨等人展示了一种利用右旋糖酐介质实现突触功能的柔性、可生物降解的有机突触晶体管[15]。除此之外，多样的突触功能是推进突触设备发展的有希望的策略。然而，迄今为止，几乎所有报道的突触设备都表现出突触后行为，即单个神经元内的神经递质直接作用于神经元受体。相比之下，由两个或多个神经元之间的同时相互作用驱动的突触前行为很少被报道。

在这里，我们首次报道了使用天然海藻胶葡甘露聚糖（KGM）生物材料作为自支撑介质层，制造出具有生物降解性的氧化铟镓锌（IGZO）基电解质栅控突触晶体管。成功模拟了包括兴奋性突触后电流（EPSC）、配对脉冲促进（PPF）和短期/长期可塑性（STP/LTP）在内的基本突触行为。更重要的是，首次实现了与常见突触后抑制不同的突触前抑制。此外，通过调节施加的电刺激之间的间隔，实现了从短期促进（STF）到短期抑制（STD）的转变。此外，还进行了水溶性降解测试以验证设备的生物降解性。这些发现突显了利用天然生物材料开发自支撑、可降解人工突触的可行性，以及它们在未来的可穿戴和环保电子设备中的巨大潜力。

实验部分

实验

以天然KGM多糖为基础材料，我们制造了自支撑的KGM基突触晶体管。关键制备步骤如下：首先，将纯度超过95%的KGM粉末在室温下通过磁力搅拌直接溶解在去离子水中，得到2.5%的KGM溶液。然后将该溶液以800 rpm的速度旋涂在清洁的玻璃基底上3分钟，随后在55°C的空气中干燥30分钟，形成

结果与讨论

作为从海藻块中提取的天然多糖，KGM因其优良的内在特性和多样的生物活性而受到越来越多的关注，包括出色的生物相容性、可降解性、无毒的降解产物以及良好的机械柔韧性[16]、[17]。与传统生物材料相比，KGM具有有效的水溶性，并含有能够参与多种化学反应的活性羟基。值得注意的是，KGM还

结论

总之，我们展示了一种基于环保KGM电解质的自支撑氧化物基突触晶体管，并成功模拟了人工突触行为，包括EPSC、PPF、STP和LTP。首次还模拟了突触前抑制特性，并通过调整电刺激之间的Δt在光辅助下实现了从STF到STD的转变。在完成特定突触功能后，我们的KGM基突触晶体管可以

作者贡献声明

黄坤文：验证、方法学、研究、形式分析、数据管理。蔡一燕：撰写——原始草稿、验证、方法学、研究、形式分析、数据管理。郑志伟：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、概念化。朱磊：验证、方法学、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。