CN113871528A - 神经元受体介导的人工突触器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可模拟生物调控可塑性的基于神经元受体介导的人工突触器件，其包括底电极层、在底电极层上形成的神经仿生层、在神经仿生层上形成的顶电极层以及在神经仿生层上构建的神经元受体介导电极区。本发明所提供的仿生突触采用神经元受体功能化，可以与对应神经递质相互作用，利用神经元受体‑神经递质之间的生物化学反应，模拟生物突触的可塑性。该发明有助于人工突触器件在生物与医学传感领域的发展。
Description
技术领域
本发明涉及人工突触器件技术领域，具体涉及一种基于神经元受体介导的人工突触器件及其制备方法
背景技术
人工突触器件其内在结构和传递原理与人脑中神经突触的相似性，使得该类器件成为推动神经形态学芯片进步的重要方式之一。在目前对于人工突触器件的研究中，研究者通过对器件施加单一的电信号实现模拟突触可塑性行为，并通过可编程脉冲序列模拟生物体的神经反射、习惯、学习等意识性行为。然而，用电信号模拟激励所产生的结果，仍与真实的神经响应存在差距。若能通过一种生物的仿生方式模拟神经调控行为，将会带来更加真实可靠的模拟结果，这将为未来仿生神经形态器件、仿生机器人的发展提供新的思路。
在人体神经系统中，神经调节是由突触上神经递质与神经受体之间的相互作用产生的，例如，乙酰胆碱作为神经递质的一种，前突触释放的乙酰胆碱通过与后突触上乙酰胆碱受体的相互作用，实现调节肌肉的收缩。本发明以乙酰胆碱-乙酰胆碱受体相互作用为例，提出了一种通过乙酰胆碱受体介导的结构简单、具备生物调控方式的人工突触器件及其制备方法，本发明对促进神经形态学芯片的多样化与多功能发展具备重要实际意义。
发明内容
本发明内容涉及三个方面：
一、提供可实现生物调控的新型突触器件结构：在绝缘衬底上设置有导电层，作为底电极，其上设置Ti3C2膜层，作为神经仿生层；神经仿生层上，分为两个区域，左侧设置有金属层，作为顶电极；右侧为神经元受体介导电极区，即，在神经仿生层上修饰PBASE膜层，在PBASE膜层上构建神经元受体膜层，神经元受体膜层上设置有电解质溶液，金属铂电极悬浮于溶液中。
其中，底电极层类比生物神经元的突触后膜，顶电极层类比生物神经元的突触前膜，神经元受体介导电极区类比为生物神经元的神经调节端，通过修饰神经元受体，在不同浓度神经递质溶液中可实现突触器件电阻的变化，从而模拟生物调节作用下的突触可塑性行为。
二、提供一种神经元受体介导的突触器件的制备方法，包括如下步骤：1、彻底清洗底电极；2、在底电极上制备神经仿生层，即，将Ti3C2纳米片溶液滴涂在ITO电极膜层上，并使用匀胶机先后以500、1500RPM旋转20秒和10秒，然后采用加热台50℃烘干30分钟，重复三次，形成均匀坚固的神经仿生层；3、采用微电子打印技术，使用绝缘油墨，对神经仿生层进行预先封装，以形成半径为0.5cm的神经元受体介导电极区和顶电极区，采用加热台(60℃、2小时)烘干绝缘油墨；4、采用微电子打印机，在顶电极区域打印导电银浆，采用加热台(60℃、2小时)烘干，形成顶电极；5、在顶电极层上焊接导线，然后采用绝缘油墨，对顶电极进行封装，采用加热台(60℃、2小时)烘干；6、神经元受体介导电极区中，滴加20μL PBASE溶液，常温孵化两小时，然后使用无水乙醇和去离子水冲洗；7、将20μL神经元受体溶液滴加在神经元受体介导电极区中，常温下孵化两小时，然后用去离子水冲洗；8、在修饰神经元受体的神经元受体介导电极区，滴加10μL缓冲液，并将金属铂电极悬浮于其中。
三、提供一种提升神经元受体介导人工突触器件敏感特性的方法：采用褶皱型少层Ti3C2纳米片作为神经仿生层，代替传统非褶皱型Ti3C2纳米片，可使神经元受体介导的突触器件在1aM的神经递质作用下产生电阻率的变化，比平坦型少层Ti3C2纳米片的同类器件降低了1000倍。
附图说明
图1是本发明“神经元受体介导的人工突触器件”纵向剖面结构示意图。1、底电极；2、神经仿生层；3、顶电极；4、PBASE层；5、神经元受体层；6、缓冲液；7、铂电极。
图2是实施例2中，工作模式1的电流电压特性曲线图，VTC为顶电极和底电极之间的电压差，ITC为顶电极和底电极之间的电流。
图3是实施例2中，工作模式2的电流电压特性曲线图，VTS为铂电极和底电极之间的电压差，ITS为铂电极和底电极之间的电流。
图4是实施例2中，工作模式3的电流电压特性曲线图，VTC为顶电极和底电极之间的电压差，ITS为铂电极和底电极之间的电流。
图5是对比例1的器件电阻率变化图。
图6是实施例1的器件电阻率变化图。
图7是对比例1与不同浓度神经元递质作用后的电流-电压曲线图。
图8是实施例1与不同浓度神经元递质作用后的电流-电压曲线图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的“神经元受体介导的人工突触器件”，其结构包括底电极层1，其上的神经仿生层2，神经仿生层2上分为两个区域，左侧为顶电极层3，右侧为神经元受体介导电极区，该区域的结构为神经仿生层2上形成的PBASE层4，在PBASE层4上形成的神经元受体层5，并在其上滴加缓冲液6，铂电极7悬浮于缓冲液6中。
神经仿生层2为褶皱型少层Ti3C2纳米片。其厚度为10nm。
顶电极层3直径为100μm的圆形银电极。
神经元受体介导电极区为半径为形成半径为0.5cm的圆形区域。
图1所示“神经元受体介导的人工突触器件”的制备方法包括如下步骤：
(1)在底电极上神经仿生层的制备
a)将ITO底电极依次在丙酮、酒精和去离子水种超声清洗；
b)将制备的褶皱型少层Ti3C2纳米片溶液直接滴涂在ITO电极膜层上，或将制备的褶皱型少层Ti3C2纳米片溶液滴涂在ITO电极膜层上后使用匀胶机先以500RPM旋转20秒，再以1500RPM旋转10秒，之后将带有褶皱型少层Ti3C2纳米片的ITO底电极放置在加热台上以50°加热30分钟以形成神经仿生层，以上步骤重复三次，以形成均匀坚固的神经仿生层。
(2)在神经仿生层上神经元受体介导电极区的形成
a)采用微电子打印技术，使用绝缘油墨，对神经仿生层进行预先封装，以形成半径为0.5cm的神经元受体介导电极区和顶电极区；
b)使用加热台，以60℃加热2小时，使绝缘油墨干燥；
(3)顶电极层的制备
a)使用微电子打印机在，制备直径为100μm的导电银浆层，作为顶电极层，同时形成几何尺寸为0.5cm×0.3cm的导电银浆引线，以便于后续测试；
b)使用加热台(60℃)干燥2小时；
c)在顶电极上打印绝缘油墨层，并使用加热台以60℃加热2小时，烘干干燥；
(4)神经仿生层上神经元受体介导电极区的制备
a)20μL PBASE溶液滴加在该区域的神经仿生层上，常温孵化小时，使用无水乙醇和去离子水冲洗；
b)上一步处理后器件上，滴加20μL神经元受体溶液，常温孵化2小时，使用去离子水冲洗；
c)上一步处理后器件上，滴加10μL缓冲液，将铂电极悬浮于其中。
对比例1
将褶皱型少层Ti3C2纳米片更换为平坦型少层Ti3C2纳米片，器件结构和制备方法不变，得到神经仿生层为平坦型少层Ti3C2纳米片的神经元受体介导人工突触器件
实施例2
对实施例1和对比例1的器件分别进行性能测试。
如图2所示，在本发明实施例1的人工突触器件的顶电极上施加-1.5-1.5V的电压(VTC)，电压从0V增长到1.5V然后逐渐减小到0V，再从0到-1.5V然后逐渐变化到0V。当扫描电压达到1.28V左右时，器件由高电阻状态突然转变为低电阻状态，此时该人工突触器件保持在低电阻状态。当扫描电压达到-1.32V左右时，器件由低电阻状态转变为高电阻状态，并且一致保持在高电阻状态，直到电压扫描回0V，得到器件的电压电流扫描曲线。该工作方式被定义为模式1。
如图3所示，在本发明实施例1中顶电极悬空，铂电极上施加1.5V-1.5V的电压(VTS)，即，电压从-1.5V增长到1.5V，再从1.5V返回到-1.5V，得到器件的电压电流扫描曲线。该工作方式被定义为模式2。
如图4所示，在本发明实施例1铂电极上施加-2.51V的电压(VTS)，顶电极上施加-0.4-0.4V的扫描电压，可以看出该人工突触器件呈现出V型电流电压特性曲线。电压最高点被称作狄拉克点。该工作方式被定义为模式3。
如图5所示，对比例1的神经元受体介导电极区施加不同浓度的神经递质(乙酰胆碱)溶液(10uL)时，工作模式3下，电阻率随乙酰胆碱浓度增加而逐渐增大的变化曲线。这表明对比例1的人工突触器可模拟生物调控的突触可塑性行为。但是，当乙酰胆碱浓度低于1fM时，未测到电阻率变化。
如图6所示，实施例1神经元受体介导电极区施加不同浓度的神经递质(乙酰胆碱)溶液(10uL)时，工作模式3下，电阻率随乙酰胆碱浓度增加而逐渐增大的变化曲线。可以发现，随着乙酰胆碱浓度的升高，电阻率的变化逐渐增大，而且，当乙酰胆碱浓度在1aM时电阻率就发生了较大的变化，这表明：采用褶皱型少层Ti3C2纳米片，使本发明“神经元受体介导的人工突触器件”的灵敏度提高了1000倍。
如图7所示，对比例1的神经元受体介导电极区施加不同浓度的神经递质(乙酰胆碱)溶液(10uL)时，工作模式3下，对比例1的电流电压特性曲线，可以发现随着乙酰胆碱浓度的升高，电流逐渐负向升高，狄拉克点向左偏移，当乙酰胆碱浓度低于1fM时，狄拉克点不再偏移。
如图8所示，实施例1神经元受体介导电极区施加不同浓度的神经递质(乙酰胆碱)溶液(10uL)时，工作模式3下的电流电压特性曲线，可以发现随着乙酰胆碱浓度的升高，电流逐渐负向升高，狄拉克点逐渐向左偏移，当乙酰胆碱溶液浓度达到1aM时，仍可观测到狄拉克点的偏移，对比图7证明了：采用褶皱型少层Ti3C2纳米片，有利于本发明“神经元受体介导的人工突触器件”的灵敏度。
Claims (5)
1.一种神经元受体介导的人工突触器件，其特征在于，包括底电极层，在底电极层上形成的神经仿生层、在神经仿生层上分左右两部分，分别构建有金属顶电极层和神经元受体介导电极区。
2.根据权利要求1所述的底电极层，其特征在于，底电极层为ITO电极。
3.根据权利要求1所述的神经仿生层，其特征在于，神经仿生层为褶皱型Ti3C2Tx。
4.根据权利要求1所述的金属顶电极层，其特征在于，金属电极为银电极。
5.根据权利要求1所述的神经元受体介导电极区，其特征是，在神经仿生层上修饰PBASE层，在PBASE层上为神经元受体层，在神经元受体层上滴加的缓冲液层，铂电极悬浮于缓冲液中。
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|---|---|---|---|---|
| CN114518391A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-05-20 | 南开大学 | 一种光寻址-突触型神经递质传感器 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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