用于可持续柔性神经形态设备的天然生物材料
文摘
2024-10-23 10:00
上海
随着互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的发展和晶体管尺寸的不断缩小，冯-诺依曼计算机的计算能力呈指数级增长。然而，随着物理极限的逼近，仅仅依靠器件的缩放已不足以继续提高处理速度。相比之下，脊椎动物大脑通过密集互连的神经元网络以大规模并行方式运行；这种结构在能效和处理速度方面具有显著优势。它能以极低的能耗处理多个复杂任务，尤其是在实时处理非结构化数据时。为了处理大规模复杂数据，有人提出了模拟生物神经功能的神经形态电子学。在生物神经系统中，突触是使神经元能够同时执行通信、计算和记忆功能的关键部件，从而克服了冯-诺依曼瓶颈。冯-诺依曼架构将存储单元和处理单元分开，因此数据从存储到处理器的传输对计算速度造成了限制。因此，赋予电子设备以突触行为是神经形态电子学的关键进步。可穿戴和植入式生物电子学的快速发展为神经形态电子学在生物医学领域的应用带来了前景。许多研究人员正试图将神经形态设备与生物组织集成，以模拟和加速生物体内的神经信号传输和处理。这些设备有望应用于健康监测、生物电子界面以及生物医学诊断和治疗。然而，传统的刚性设备在人体上传输神经信号时不容易贴合人体皮肤或器官，因此生物体的运动会造成伪影，降低测量精度。为了克服这些限制，神经形态设备的设计强调灵活性、生物兼容性和轻便性。这些要求促进了柔性神经形态设备的发展，从而使其能够与人体完美融合。这种整合可最大限度地减少对生物系统的干扰，从而实现高质量的信号采集和处理。此外，柔性神经形态设备在植入式电子设备中大有可为，特别是因为其良好的组织顺应性、低侵入性和不可感知性使其非常适合长期植入。这些器件可与神经组织精确对接，调节或修复异常神经信号，因此可能有助于治疗神经退行性疾病。这些技术的发展为生物医学应用的进步提供了革命性的解决方案，但许多制造工艺和设备都是不可持续的，因此它们的使用可能会导致不可再生资源的枯竭，并产生含有有毒成分或不可降解材料的电子废物。虽然新出现的柔性电子设备有望减轻重量，但其复杂的回收过程也带来了新的挑战。因此，生物电子设备应完全或几乎完全由通过绿色工艺从可持续来源获得的元件制造，使这些元件在其使用寿命结束时可以回收利用成为增值产品或进行生物降解，而不会对环境造成任何负面影响。天然生物材料因其天然丰富性、可再生性和生物降解性，为开发可持续生物电子器件提供了极具吸引力的构件。例如，基于生物材料的忆阻器件具有复杂的多层结构和多功能的功能基团，在模拟突触行为方面具有显著优势，在数据处理和计算系统、神经形态感知系统和人工智能领域具有相当重要的实际应用价值。此外，生物材料的生物相容性、柔韧性、超薄和轻质特性使其在用于神经机器人、神经义肢和智能医疗的可穿戴和植入式神经形态电子设备中展现出潜力。这些应用通常要求神经形态设备具有较高的机械灵活性以便与生物组织无缝对接，同时必须确保生物兼容性和不显眼性，以尽量减少过敏或炎症反应。虽然相关应用的报道仍然有限，但使用生物材料的人工突触在可持续、灵活的神经形态电子学方面具有巨大潜力，有望在可穿戴和植入式生物医学应用中发挥关键作用。神经形态电子器件利用硬件中的神经模型模拟类似大脑的行为，并提供高效、极其紧凑和大规模并行处理功能，因此是下一代信息处理单元的理想候选器件。然而，传统的刚性神经形态设备因其与人体组织或器官不可避免的机械和几何不匹配而受到限制。同时，这些电子设备的快速发展产生了大量的电子垃圾，从而造成了严重的生态问题。天然生物材料具有与生物组织相容的机械性能，而且对环境无害、超薄、轻质，因此使用这些材料可以解决这些局限性，并用于制造下一代可持续的柔性神经形态电子器件。在此，首尔国立大学Hea-Lim Park b & Tae-Woo Lee教授等人探讨了天然生物材料在模拟可持续神经形态设备的突触行为方面的优势。介绍了这些神经形态设备的灵活性、生物相容性和生物可降解性，并考虑了这些特性在可穿戴和植入式生物电子学中的潜在适用性。最后，探讨了利用天然生物材料制造器件和集成神经形态系统所面临的挑战并提出了未来的研究方向。相关研究以“Natural biomaterials for sustainable flexible neuromorphic devices”为题发表在Biomaterials期刊上。Fig. 1. Schematic diagram showing the fundamental properties of natural biomaterials， and their application potential in sustainable flexible neuromorphic electronics.Fig. 2. Structure and properties of different kinds of polysaccharides.Fig. 3. Structure and properties of different kinds of proteins.Fig. 4. Synaptic plasticity and mechanism of biomaterial synapses.Fig. 5. In vitro tests to evaluate biocompatibility of synaptic devices.Fig. 6. Demonstration of mechanical flexibility and biodegradability of synaptic devices that use biomaterial.Fig. 7. Potential applications and future development directions of biomaterial-based neuromorphic devices.本综述总结了利用生物材料开发神经形态设备的最新进展，重点介绍了这些材料在实现人工突触方面的优势。基于天然生物材料的神经形态设备不仅是一个令人感兴趣的研究课题，也是一个具有深远社会影响的领域。有效制造和集成具有可控理想特性的生物材料人工突触，将为下一代可穿戴和植入式生物医学技术的可持续发展提供重要机遇。通过模拟人脑中生物突触的复杂功能，这些设备有可能彻底改变脑机接口、神经义肢和其他神经植入技术。在设计生物混合神经形态系统时，必须仔细考虑设备与人体皮肤或器官之间的机械兼容性。生物材料的使用扩展了神经形态设备的功能，包括灵活性、生物可降解性和生物兼容性，从而大大提高了它们作为可穿戴和植入式生物医学电子设备材料的使用潜力。最近，一些重要的尝试成功地在系统层面将基于生物材料的神经形态设备与生物组件集成在一起，在人工感觉神经和生物界面之间建立了联系。例如，将蛋白质纳米线制成的有源传感器和忆阻器集成在一起，就产生了可穿戴、自供电的神经形态界面，它可以智能地解读与生物相关的刺激，并针对异常呼吸频率发出警告信号。由此产生的神经形态界面与生物界面非常相似，感觉细胞器和处理神经元共享统一信号，从而提供了快速决策的效率。此外，通过将基于血液的生物监测器与逻辑电路集成，还可开发出高血糖和高脂血症的体外监测系统。基于生物材料的神经形态设备在治疗神经系统疾病方面也大有可为。为了诊断和治疗神经系统疾病，神经形态设备需要植入人体并与神经相连。然而，植入过程中面临的主要挑战包括材料的潜在毒性以及治疗后需要进行额外的手术才能取出装置。使用生物材料制造的神经形态装置在生物相容性、生物降解性和组织顺应性方面具有多重优势。这些装置可以与生物组织或器官无缝集成，并模拟生物外周神经中事件驱动的突触信号传输从而促进植入式神经链接等应用的发展。植入式电极的设计是另一项重大挑战。这些电极应具有高度的生物相容性、机械灵活性和微型化。目前，已对金属、碳纳米材料、导电聚合物和水凝胶进行了研究。其中，水凝胶具有固有的亲水性、生物相容性和机械灵活性，被认为最有希望用于神经接口。例如，使用水凝胶 PEDOT:PSS 电极制造的有机突触晶体管已成功应用于可拉伸的神经传出神经。这些神经传出神经可以绕过断裂的电生理信号路径，通过软神经接口和可拉伸电子系统重定向电生理信号，从而控制患有神经运动障碍的小鼠模型的身体运动。此外，生物材料在植入式电极方面也显示出相当大的应用潜力。例如，由银纳米线和生物材料蜂胶制成的复合透明电极显示出卓越的机械和热稳定性以及环境适应性。尽管各种生物材料已被开发出来并广泛用作生物医学植入物的组件，包括传感器、摩擦起电装置和致动器，但基于生物材料的神经形态器件仍处于概念验证阶段，尚未在可植入神经系统中进行实际测试。因此，与基于生物材料的柔性神经形态系统相关的几个关键问题和挑战仍有待解决，具体讨论如下：为了推进生物医学应用中神经形态系统的设计，必须开发长期稳定的天然生物材料。在许多情况下，生物材料的内部结构对环境湿度或温度高度敏感，因此其功能和效率会受到环境变化的影响。例如，壳聚糖的电导率可在两个数量级的相对湿度范围内发生变化，即从 55% 时的~3 x10-6Scm-1增加到75%时的~1 x10-4Scm-1。当含水量从 8% 增加到 40%时，胶原蛋白的电导率会发生六个数量级的变化。虽然生物材料的水合作用可以提高质子传导性，但环境湿度导致的传导性不稳定性会影响设备的功能，例如使突触重量更新不可预测。同时，这种不稳定性会导致电极或其他功能电子元件接口处膨胀并可能失效；这些变化也会影响设备的可靠性和耐用性。因此，为了确保使用生物材料的神经形态设备的安全性和可靠性，必须开发出高效可靠的封装方法，将元件与环境湿度和温度的影响隔离开来。必须减少设备与设备之间的差异。当天然生物材料来源于不同物种，甚至来源于同一生物体时，它们就可能具有异质性。例如，从棉花中提取的纤维素具有很高的拉伸强度和热稳定性而从竹子中提取的纤维素在低温下很容易降解；性状的差异主要是由于纤维素的结晶含量不同。人们提出了各种预处理和后处理策略来调节异质性。预处理可有效提高生物材料的质量和分子量均匀性，从而减少批次间的差异。后处理技术旨在改善材料的机械和电气性能，从而确保不同批次的材料具有一致的反应。然而，这些技术在商业规模生产中的应用仍然有限。因此，要实现生物材料的可预测性和一致性，必须开发更先进的加工技术。将天然生物材料有效地整合到神经形态电子系统中是另一项关键挑战。神经形态器件的实际应用需要高精度、高均匀性的纳米级制造，因此这些系统必须使用光刻技术进行高分辨率图案化。然而，许多生物材料与传统光刻技术不兼容，因为传统光刻技术使用有机溶剂和紫外线，会破坏生物材料的结构和功能。因此，为了适应生物材料的敏感性并确保其生物相容性必须开发新的制造技术。最近，人们开发了几种非常规的软光刻技术，可以在不造成损害的情况下精确地对生物材料进行图案化；这些方法可以实现使用生物材料的神经形态电子器件稳定可靠的集成。然而，考虑到这些技术的研究相对较少，它们与生物组织的兼容性还需要测试和验证。Natural biomaterials for sustainable flexible neuromorphic deviceshttps://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122861*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
