丝素蛋白基生物忆阻器学术资讯

忆阻器（Memristor）又名记忆电阻（memory resistors），与传统电阻器的不同之处在于，其在断电后仍可“记忆”先前流经的电荷量。

同时，忆阻器具有微纳级尺寸、低功耗及非线性电学特性，在非易失性存储、逻辑运算和仿生神经突触等领域彰显出巨大的潜力。

与无机、有机忆阻材料相比，以丝素蛋白（silk fibroin，SF）为典型代表的生物材料因良好的生物相容性、环境友好性、可持续性、生物可降解性及可调的忆阻特性，已成为新一代忆阻器的理想构筑材料。

图1丝素蛋白基生物忆阻器及其应用近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队从发展历程（图2）、忆阻机理、构筑策略、忆阻性能、集成方法等多个方面，系统总结了SF基生物忆阻器的研究进展，并对SF基生物忆阻器的发展前景进行了展望。

以综述形式发表于Materials Horizons (Bio-memristors based on silk fibroin, DOI: 10.1039/D1MH01433A)。

论文第一作者为东华大学博士生张艺，通讯作者为东华大学张耀鹏教授，范苏娜博士为共同作者。

图2 SF基忆阻器的“记忆之路”自2012年SF被证明具有忆阻特性以来，多种柔性、超轻、生物可降解及可调忆阻特性的纯SF忆阻器相继被开发，并在忆阻性能提升与功能扩展方面取得进展（图3a-d）。

进一步，随着材料改性和纳米技术的发展，对SF材料进行功能化成为有效提高忆阻性能的重要手段。

例如，通过将SF基体与金属纳米簇、量子点、金属盐复合，可有效提高忆阻稳定性、耐久性、降低器件功耗（图3e-h）。

同时，通过调控SF结构及组分，SF基复合忆阻器可具备光电响应特性、仿生神经突触功能等，为构建新型生物忆阻器、高度仿生神经网络和集成电子系统奠定了基础。

为进一步拓展忆阻器的应用领域，需对其进行高密度集成。

目前主要采用的集成方式为十字交叉整列结构，主要方法为沉积、打印及光刻技术。

然而，已报道的丝素蛋白集成阵列的性能及功能仍有待提升。

图3 （a-d）纯SF忆阻器：(a-b) 超轻忆阻器，（c-d）可降解柔性忆阻器；（e-h）SF复合忆阻器：(e-f) 丝素蛋白-量子点复合忆阻器；(g-h) 牛血清蛋白@银纳米簇-丝素蛋白忆阻器为实现SF基忆阻器的高性能化与多功能化，需解决一下挑战：（1）精确控制SF的分子量和凝聚态结构是确保其忆阻性能可控的关键，但目前仍缺乏可靠的调控和加工技术；（2）SF在高压、高温等条件下易变性，限制了器件的高精制备与精细表征，制约了忆阻机理的深入研究；（3）掺杂金属、无机纳米材料提升SF忆阻器性能的同时，势必带来降解性差与生物相容性差等问题。

因此，未来研究者需重点从以下方面开展研究：建立SF结构与忆阻性能的构效关系；深入研究SF忆阻机理；拓展SF忆阻器在光电响应、多级存储等方面的功能；与其他生物电子器件进行集成，拓展在逻辑运算、仿生突触、神经网络、图像识别、复杂电路、体内诊断和生物智能系统等领域的应用。

此工作得到了国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人等项目的资助。