绿色合成超顺磁生物相容性Fe3O4纳米颗粒在忆阻器和突触生物电子学中的应用研究

《Scientific Reports》：Green-synthesized superparamagnetic and biocompatible Fe3O4 nanoparticles for memristive and synaptic bioelectronics

本研究针对传统纳米材料合成方法的环境污染问题，开发了一种利用杨桃叶提取物绿色合成超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的新方法。研究人员通过系统表征证实所得纳米颗粒具有10-20 nm的粒径和优异生物相容性，并成功构建了Ag/Fe3O4/FTO忆阻器器件。该器件展现出2×104次循环耐久性和1.5×104秒保持特性的双极阻变存储性能，同时成功模拟了突触可塑性（包括增强/抑制、EPSC和PPF等），为生物电子学和神经形态计算提供了新材料解决方案。

　　

在纳米科技迅猛发展的今天，铁氧化物纳米颗粒（IONPs）因其独特的超顺磁性和生物相容性，在生物医学和电子器件领域展现出巨大应用潜力。然而，传统化学合成方法往往使用有毒试剂且能耗较高，对环境造成负担。与此同时，随着人工智能和神经形态计算的兴起，开发能模拟生物突触行为的电子器件成为研究热点。忆阻器作为一种新兴的电子器件，其电阻值可根据历史电压脉冲发生改变，这种特性与生物突触的重量调节机制高度相似，为构建低功耗人工神经网络提供了新思路。

正是在这样的背景下，印度Shivaji大学等机构的研究团队在《Scientific Reports》上发表了创新性研究成果。该研究首次利用杨桃（Averrhoa carambola）叶提取物成功合成了超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒，并将其应用于忆阻器器件，实现了优异的非易失性存储性能和突触模拟功能。这项工作不仅为绿色合成纳米材料提供了新范式，还为生物电子学和神经形态计算器件的开发开辟了新途径。

研究人员采用的主要技术方法包括：以杨桃叶提取物为还原剂的水相绿色合成法、X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征纳米颗粒结构与形貌、振动样品磁强计（VSM）分析磁学性质、MTT法评估生物相容性与抗癌活性，以及基于Keithley源测量单元的忆阻器电学性能测试。研究还使用了人胚胎肾细胞（HEK293）和乳腺癌细胞（MDA-MB-231）作为体外模型。

纳米颗粒的绿色合成与表征

通过杨桃叶提取物中的多酚类化合物作为还原剂，成功将Fe³⁺还原为Fe₃O₄纳米颗粒。反应溶液颜色由红褐色变为黑色，且产物能被磁铁吸引，直观证实了纳米颗粒的形成。XRD分析显示产物为立方晶系磁铁矿，平均晶粒尺寸为15 nm。FTIR光谱在585 cm^-1和633 cm^-1处观察到Fe-O特征峰，同时检测到植物提取物中酚类化合物的特征吸收峰。

TEM分析显示纳米颗粒呈近似球形，粒径分布为6-20 nm。VSM测试证实其超顺磁性，饱和磁化强度为0.320 emu，矫顽力仅为3.68 Oe。DLS测定的流体动力学直径为178 nm，zeta电位为-8.1 mV，表明纳米颗粒在溶液中具有适度稳定性。

生物相容性与抗癌活性

MTT实验结果表明，Fe₃O₄纳米颗粒对正常HEK293细胞表现出良好生物相容性，在500 μg/mL浓度下细胞存活率仍超过60%。而对MDA-MB-231乳腺癌细胞则显示出浓度依赖性细胞毒性，IC₅₀值为979.78 μg/mL。这种选择性毒性使该纳米颗粒在癌症治疗中具有应用潜力。

忆阻器性能研究

采用刮涂法制备的Ag/Fe₃O₄/FTO忆阻器展现出典型的双极阻变特性。set电压约为+1.3 V，reset电压约为-2.0 V。器件耐久性测试表明其可稳定工作2×10⁴次循环，保持特性测试显示高低阻态可在10⁴秒内保持稳定。

统计可靠性分析显示，set和reset电压的变异系数均较低，表明器件具有良好的一致性。Weibull分布分析进一步证实了开关电压的集中分布，说明器件性能稳定可靠。

突触行为模拟

该忆阻器成功模拟了多种生物突触功能。通过施加+3 V和-3 V的脉冲序列，实现了突触权重增强（potentiation）和抑制（depression）的连续调节。兴奋性突触后电流（EPSC）测试显示，随着脉冲宽度的增加，电流幅度逐渐增大并趋于饱和，时间常数为1.1106×10^-4秒。配对脉冲易化（PPF）测试观察到典型的短期可塑性行为，时间常数为2.4546×10^-5秒。

传导机制分析表明，高阻态符合空间电荷限制电流（SCLC）机制，而低阻态则呈现欧姆传导特性，这为理解器件的开关机制提供了理论基础。

本研究通过绿色合成方法成功制备了具有超顺磁性和生物相容性的Fe₃O₄纳米颗粒，并证明其在非易失性存储和神经形态计算中的应用价值。与以往报道的铁基忆阻器相比，该工作首次将绿色合成的纳米颗粒应用于忆阻器，并实现了更全面的突触功能模拟。器件的良好耐久性和保持特性，结合其生物相容性，为开发可与生物系统集成的电子器件奠定了基础。

这项工作的重要意义在于：一方面为可持续纳米材料合成提供了环境友好型解决方案，另一方面将生物相容性纳米材料与神经形态计算相结合，为下一代智能计算和生物电子学器件的发展指明了新方向。未来通过优化器件结构和界面工程，有望在人工智能、医疗诊断和可植入电子设备等领域发挥重要作用。