基于生物相容的有机忆阻器在仿生伤害感受器应用的研究

葛军* 张珊 刘志宇 谢志坤 潘书生*

（广州大学物理与电子工程学院）

忆阻器电阻与流经器件的电流历史相关，因其在信息存储器件、神经形态计算、人工突触等方面的应用前景近年来受到广泛关注。根据忆阻器的阻变特性，可以大致将器件分为稳态开关和瞬态开关两种类别。其中瞬态开关忆阻器电阻在阈值电压下从高阻态向低阻态转变，移除电压后电阻立刻恢复高阻态。利用这一特性可以开发基于忆阻器的高性能仿生伤害感受器，相对基于传统CMOS电路的仿生器件，具有结构简单、功耗低、仿真程度高等优势。

目前报道的瞬态开关忆阻器一般基于无机材料，而生物有机材料具有人体相容性、原料丰富性、器件柔性及低成本等优点，具有明显的优势。然而，目前基于生物有机物的忆阻器件性能无法用来模拟伤害感知功能，需要探索新型的材料和器件结构。

在这项工作中，我们将羧甲基化卡拉胶（CIC）作为活性层,在塑料衬底上制备了一种柔性透明的Ag/CIC/铟锡氧化物(ITO)忆阻器件。通过取代羧基甲基修饰,可以增加离子配位点的数量，使得有机聚合物离子电导率大大提高。这种修饰使得柔性Ag/CIC/IT0器件具有典型的瞬态开关行为，其电阻开关比值在10⁴左右，工作循环次数高达10⁵以上，并可弯曲1000次以上保持性能不下降。该器件完整地模拟了痛觉感受器在正常状态下的“阈值”和“放松”行为、在异常状态下的“异痛”和“痛觉过敏”行为以及在充分休息后从异常状态到正常状态的自愈现象等重要痛觉感受器特性。

在此基础上，利用Ag/CIC/ITO器件建立了一套记忆式压力伤害感受系统。这些结果将促进基于生物相容聚合物的非硅电子器件的发展，以模拟人类感觉系统的伤害感受功能。论文发表Nanoscale（中科院一区，2018年SCI影响因子为7.233）上，并被杂志选为Back Cover封面报道。

2018年以来，在广州大学高水平大学建设经费、“百人计划”科研启动费、国家自然科学基金面上项目以及广东省教育厅重点项目等支持下，物理与电子工程学院固体物理与材料研究实验室基本建成材料合成、微器件制作以及光电性能测试表征的实验平台。本项研究主要实验工作在固体物理与材料研究实验室蒸发镀膜仪和“紫外-可见-近红外光电器件性能测试系统”上完成。

左图：杂志封面报道。 右图：（a）制备方法简述。（b）器件柔性展示。（c）器件透明性展示。（d）器件截面扫描电镜图。(e)电阻瞬态开关行为。

紫外-可见-近红外光电器件性能测试系统

文章链接：Flexible artificial nociceptor using a bio-polymer based forming-free memristor, Jun Ge*, Shan Zhang, Zhiyu Liu, Zhikun Xie, Shusheng Pan*, Nanoscale, 2019, 11, 6591 – 6601. DOI: 10.1039/C8NR08721K

Flexible artificial nociceptor using a bio-polymer based forming-free memristor

Jun Ge*, Shan Zhang, Zhiyu Liu, Zhikun Xie, Shusheng Pan*

（School of Physics and Electronic Engineering, Guangzhou University）

The development of electronic devices possessing the functionality of a nociceptor is a crucial step toward electronic receptors which can transfer the external stimuli to the internal nerve system. Of the various materials that have been used to realize artificial nociceptor, biopolymers have the advantages of being abundant, inexpensive, biocompatible, and flexible. In this work, nociceptor behaviors are demonstrated by the flexible Ag/carboxymethyl ι-carrageenan/ITO/PET forming-free memristors for the electronic receptors. The flexible carboxymethyl ι-carrageenan-based memristor showed threshold switching characteristics with a high I_ON/I_OFF ratio of ∼10⁴ and good switching endurance (>1.5×10⁵cycles). It also showed high bending endurance over 1000 cycles when measured in both the flat and the maximum bending conditions. More importantly, it differs from other common sensory receptors with its key features and functions, including threshold, relaxation, allodynia and hyperalgesia behaviors. Such nociceptive behaviors are attributed to the formation and spontaneous rupture of the Ag filament with diffusive dynamics. At last, we further built a pressure sensory alarm system by using our artificial nociceptor devices.