人工神經是用于臨床神經修復和腦機接口的重要技術，要求同時具備快速響應、高放大能力和良好生物相容性，并實現感知-處理-記憶功能的一體化融合。
傳統硅基電路雖然性能強大，但缺乏對神經遞質等生物化學信號的響應能力，無法實現化學調控，且電路結構復雜、硬質，生物相容性差、難以與柔軟神經組織長期穩定連接。
針對以上問題，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授領導研究團隊設計了一種新型具有梯度雙連續結構（GIBS）的垂直有機電化學晶體管（v-OECT）器件，構筑了生物相容性好、可化學調控的高性能人工神經，相關成果發表在《自然-電子》（Nature Electronics）。
該論文介紹，GIBS結構是在聚合物半導體垂直溝道上順序沉積了具有生物相容和分子摻雜效應的離子導體，可形成連續的電子和離子高速傳輸通道并實現n型摻雜，從而破解了電荷與離子難以同時高效傳輸的難題。此外，GIBS結構能夠抑制上層離子導體對下層聚合物半導體結晶結構的破壞，提供高離子脫嵌勢壘以實現離子的長期存儲，確保了良好的電導記憶性能。同時，上層的離子導體還具有促進細胞生長的作用，為器件提供生物相容性的神經界面。
因得益于上述“一石三鳥”的設計，具有GIBS結構的有機電化學晶體管（OECT）實現了高跨導和超快響應速度，綜合性能為目前報道的n型OECT中的最高值。其作為感受器，可對光、電、化學等多模態信號實現高靈敏響應；作為神經元，可通過互補反相器實現248V/V的高電壓增益和1.5kHz的高截止頻率；作為神經突觸，可實現100kHz的高頻電導讀寫和長時間的電導記憶。由以上三部分均質集成而構建的人工神經，不僅具有良好的生物相容性和長期植入穩定性，還可以在鈣離子的化學介導下以超過250Hz的頻率實現對外界信號的感知-處理-記憶功能，覆蓋了所有已知生物神經的刷新頻率范圍。
通過植入實驗，人工神經成功使神經功能受損的小鼠恢復了條件反射能力。
該研究結果在有機半導體和新興神經電子學領域具有重要科學價值和應用前景，為腦機接口開發和各類神經系統疾病的治療提供了新思路，特別是對脊髓損傷、周圍神經損傷等疾病的修復具有積極意義。
a.生物神經與人工神經的構成組件與對應關系；b. 梯度雙連續結構結構示意圖；c.具有梯度雙連續結構的v-OECT性能與其他已報道器件的綜合性能對比；d. 人工神經用于恢復神經功能受損小鼠的條件反射能力。論文作者供圖
西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室王世杰助理教授為文章第一作者，馬偉教授、趙超副教授、王炳俊助理教授為通訊作者。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為唯一通訊單位。文章的合作者還包括西安交通大學憨勇教授、西安交通大學第一附屬醫院鮑剛教授、西安交通大學第二附屬醫院楊琳教授、西安科技大學李宇翔副教授、德國電子同步輻射加速器中心Stephan V. Roth教授、德國慕尼黑工業大學Peter Müller-Buschbaum教授等。該工作得到了國家自然科學基金重點國際合作研究項目、青年學生基礎研究項目（博士研究生）等的支持。
文章相關信息：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01357-7
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