柔性电化学晶体管：高密度放大器的新解决方案

内部离子门控有机电化学晶体管：一种建立集成生物电子设备的基础元件

近日，哥伦比亚大学神经电子转化实验室(作者GeorgeD. Spyropoulos, Jennifer N. Gelinas Dion Khodagholy)的一项工作作为封面文章发表在了ScienceAdvances杂志上(2019年3月刊)。他们开发出了第一个具有生物相容性的离子驱动的晶体管。这项技术在在体电生理信号采集和神经刺激方面具有重要的意义。

晶体管在现代社会中的应用价值不言而喻。手机、电脑、人工智能的核心都是芯片，而芯片上有大量纳米尺度上建筑的晶体管，把这些晶体管称为现代社会的基石也不为过。目前的晶体管还只能在硅晶圆上搭建，硅晶圆是从单晶硅上切割、打磨成200到300微米厚的硅片。由于硅的刚度较强，因此芯片不能受力，所有的芯片要被包裹在厚厚的塑料封装里才能使用。柔性电子是目前材料科学和微电子学的一个重点研究方向。前一段时间惊艳亮相的华为折叠屏手机其实就是柔性电子学可能为我们生活带来改变的实例。

那么回到神经科学方向，柔性电子能为我们带来什么呢？由于神经元直接产生电信号，因此，直接通过电极来记录神经元活动的电生理技术目前还是最重要的一项研究手段。人们使用的电极也经历了很多不同的时期，每个时期都有相关的重要代表技术。从最初的玻璃电极(1960s)、金属微丝电极（1970s）、硅电极(1980s)到现在的柔性电极。除了材料变化外，电极的密度也在一直提高。目前的高密度电极可以记录将近1000个通道，像Neuropixel硅电极和NeuroGrid柔性ECoG电极。Neuropixel电极虽然有960个通道，但同时记录的通道只有320个，只有三分之一。这是由于另一个技术限制导致的，我们目前没有很好的技术手段来制作高通道的放大器。如果采用硅基芯片，那么在植入时必然存在各种尺寸限制和生物相容性的问题。而这些问题恰恰是有机柔性电子的长项，而且有机柔性电子还存在结构简单，制作成本低的优势。以OECT(Organicelectrochemical transistor)为代表的有机晶体管技术也早在1980s就已经提出，但是一直很难进入实用，主要原因是设备需要溶液中的离子进出沟道，降低了设备的速度。

不同材料的电学性能  Khodagholy, et al.Naturecommunications 4 (2013).

实际上，有机晶体管的跨导率(gm=i/v)非常高，非常适合做低速信号的放大器，但目前的设备速度依然是限制应用的主要瓶颈。为了解决有机晶体管的速度瓶颈，文章的作者George设计了一种新型的有机晶体管(IGT,Ion-driventransistor)。

IGT基本结构

这种晶体管创新性的将离子锁定在导电有机聚合物沟道里，而使设备的速度大大提高。上图左侧是IGT结构的示意图，右侧是显微镜和电镜下的设备照片。设备是典型的三极晶体管结构，源极，漏极和栅极。源极和漏极之间的沟道通过导电有机材料PEDOT:PSS(柔性电子领域明星材料)构成。栅极通过chitosan(聚壳糖)构成，可以吸收离子。在PEDOT:PSS构成的沟道中，作者加入了右旋山梨糖醇，用来吸收水分子。这种结构使离子保存在沟道中，而不是需要从电解液中进出。

作者接下来研究了不同电极尺寸对设备性能的影响，并比较了IGT和传统的OECT之间的性能。

在同样的电极尺寸下，IGT比OECT有了6倍左右的提升。在最优的电极尺寸下，设备达到了380KHz的带宽，已经满足了电生理放大器的需求。

IGT带宽

最后，作者设计了由级联的IGT构成的脑电放大器，并成功采集到了高质量的脑电信号。

级联IGT生物信号放大器

基于IGT元件采集的脑电

结语：

这篇文章是有机柔性放大器领域中的重要工作，可能对未来的可植入设备、脑机界面等设备的形式产生深远的影响。可能的设备形式比如完全柔性可长期植入的神经电极、深部脑刺激器、植入性的高分辨率心电监护设备等等。柔性电子在将来甚至可以作为承载深度学习的计算单元而直接植入体内 (van De Burgt, Yoeri, et al."Organic electronics for neuromorphic computing." Nature Electronics (2018))。目前神经科学已经成为了新的技术高地，也成为了打通各个学科之间壁垒的通道，神经科学中不同学科之间的协同程度之高是前所未见的，我们需要放下传统上对各个专业方向的定义，不要限制自己的视野，才能在目前的时代做出卓越的工作。

第一次写评论，以后有时间会陆续写一些文章介绍和专题，感谢大家抽时间阅读！

本文链接：

http://advances.sciencemag.org/content/advances/5/2/eaau7378.full.pdf