近日，厦门大学柔性电子（未来技术）研究院霍峰蔚教授、侯雅琦助理教授课题组与合作者在仿生纳流离子学领域取得重要进展，构建了能够整合兴奋性与抑制性突触信号的仿生纳流离子电路。相关成果以“Bioinspired Nanofluidic Circuits with Integrating Excitatory and Inhibitory Synapses”为题发表在Nano Letters（DOI:10.1021/acs.nanolett.4c05583）期刊上。

“仿生纳流离子学”是在纳米尺度或亚纳米尺度下，利用纳流控技术和纳流器件，模仿和实现生命活动中的离子传输现象的一门新兴学科。自2021年提出以来，“仿生纳流离子学”迅速成为仿生材料、纳流控等领域的研究热点。基于离子传导的纳流忆阻器，以其良好的生物兼容性和信息处理能力，为类脑计算与脑机接口技术提供了全新思路与材料平台。2024年，国际纯粹和应用化学联合会IUPAC将“仿生纳流离子学”评选为年度全球化学领域十大新兴技术，显示出其在化学及相关领域的巨大潜力。

大脑中的神经网络是一个高度复杂的计算系统，其信息处理能力依赖于神经元之间的动态交互和信号整合。为了实现类似大脑的信息处理功能，开发能够在水溶液环境中，以多种离子或生物分子作为信息载体的人工突触材料成为科学家研究的重要课题。纳流控忆阻器能够有效调控水溶液环境中的离子传输行为，成为这类人工突触材料的首选。在过去的研究中，研究人员已经基于纳流控忆阻器实现了单个突触的可塑性，但对于多个突触的信号整合，如兴奋性和抑制性突触后电位的整合，仍未实现，限制了纳流忆阻器在复杂类脑功能中的应用。

针对上述问题，本工作成功研制出一种具有离子浓度梯度的纳流控忆阻器（ICGNMs）。该装置在模板法制备的纳米限域结构的基础上，通过建立纳米限域内部与外部不同的离子浓度梯度，实现对兴奋性和抑制性突触特性的模拟。当纳米限域空间内的离子浓度（）低于外部（）时，在脉冲电压的施加下，由于浓度梯度的作用会进一步增加离子在纳米限域尖端的富集，从而增加ICGNMs的离子电导，表现出兴奋性突触的特性。相反，当纳米限域内离子浓度（）高于外部（）时，浓度梯度作用使离子扩散出纳米限域尖端，造成纳米限域尖端离子耗尽，导致ICGNMs的导电性和离子电流逐渐减少，类似于抑制性突触的特性。该忆阻器能够通过调控纳米通道内外溶液中离子浓度的梯度实现忆阻效应强弱的调控。在此基础上，将ICGNMs忆阻器参数与经典的霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley, H-H）模型相结合，可精确复刻动作电位的产生过程。进一步扩展H-H模型，成功模拟了不同比例的兴奋性与抑制性突触信号的整合过程。这一成果为基于仿生纳流电路实现离子计算提供了重要的理论与材料学基础，推动了纳流离子学在神经形态计算领域的发展。

图1. 仿生浓度梯度纳流忆阻器用于动作电位的产生及兴奋性与抑制性突触信号的整合

该工作在厦门大学柔性电子（未来技术）研究院霍峰蔚教授、侯雅琦助理教授和厦门大学化学化工学院侯旭教授的共同指导下完成，厦门大学柔性电子（未来技术）研究院王艳琼和简斌为论文的共同第一作者。这项工作得到了国家自然科学基金（52303380、52025132、52273305）、中央高校基本科研业务基金（No. 20720240041）、福建省自然科学基金（No. 2022J02059）等项目资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05583

图、文：王艳琼、侯雅琦

编辑：李雅娴

审核：安众福