感觉神经-机器接口研发新突破！台式无掩膜直写光刻系统助力团队登上Mater. Sci. Eng. R
发布日期：2025-09-19
近期复旦大学周鹏/王水源团队与海军军医大学附属长征医院陈华江团队利用台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3成功研发出一种基于单层二硫化钼（MoS₂）新型感觉神经-机器接口（Peripheral Sensory-Computer Interface, PSCI）系统，能够以高精度捕获和解码来自感觉神经的生物电信号，实现了感知生物信号的实时高保真处理以及生物电刺激的闭环控制，进一步实现了小鼠受损椎间盘的恢复再生。相关成果以“Neuromorphic peripheral sensory-computer interface embodied by two-dimensional ultrasensitive circuits”为题发表于《Materials Science & Engineering R: Reports》（IF：31.6）
【引言】
在人体与环境复杂的交互中，神经系统凭借超卓的生物电信号传输能力，支撑人类完成精细操作等动态任务，同时维持着内感受反射等关键生理过程。这种反射对血压调节等生命功能的维持至关重要，还能为靶器官的精准修复提供指导。然而，外周神经系统生物电信号的精细解码始终面临巨大挑战，这一技术瓶颈严重制约了对持续性疼痛、慢性疾病等常见病症的精准诊疗。
椎间盘退变性疾病作为影响社会健康的重要疾病，如何减缓甚至逆转椎间盘退变，是脊柱外科领域亟待攻克的核心科学难题。尽管脑机接口（BCI）等技术已实现对大脑生物电信号的捕获与解码，在瘫痪、抑郁等病症的辅助治疗中发挥作用，但针对具有复杂动态特性的外周神经系统，类似的技术突破迟迟未能出现。现有技术在精准捕获神经电信号时，要么精度不足难以满足研究与临床需求，要么易对神经组织造成损伤，无法实现安全高效的信号采集。
为破解这一困境，复旦大学与长征医院团队采用超灵敏、低功耗的原子级薄二维晶体管阵列，构建了外周感觉-计算机接口（PSCI），该接口能以创新性的精度捕获并解码感觉神经发出的微伏级生物电信号，有效抑制生物电噪声，并以低电压运行确保直接在人体表面实现精准、安全且高效的操作。通过与神经生理系统的无缝集成，PSCI可覆盖0-20 Hz再生频段并适配再生波形，实现对靶器官功能长达28天的精准监测与调控，真正达成感觉生物信号的实时高保真处理及生物电刺激的闭环控制。这一突破有望填补当前神经接口的技术空白，为未来医疗诊断与治疗的创新开辟道路。
这项神经接口工程的重大进展基于超灵敏低功耗半导体晶体管阵列的神经形态接口，其核心是由台式无掩膜直写光刻系统 MicroWriter ML3制备的原子级薄MoS₂晶体管构建8×8二维多通道放大阵列（2D-MCAA）。MicroWriter ML3凭借高精准虚拟掩膜对准技术，不受样品尺寸和形状的限制，在SiO2基底上生长的MoS2薄膜上精准完成栅极图案、源极和漏极的图形化加工，加工精度可达400 nm，为后续的电子束蒸发镀膜、刻蚀等关键工艺提供了精确的图形基准，保障了器件制备的高精度与稳定性。
与此同时，MicroWriter ML3 具备紧凑化设计，融合多种加工分辨率，可自动切换实现组合曝光；双光源配置支持不同直写光源灵活切换，适配多类型商业光刻胶选择；并配有人性化的人机交互界面，以高效、稳定的加工能力和开放灵活的技术为核心竞争力。MicroWriter ML3不仅为该成果成功发表于《Materials Science & Engineering R: Reports》提供了坚实保障，更通过二维电子器件显著增强了动态生物医学的应用效能。MicroWriter ML3 将继续为前沿科研探索提供强大助力。
小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3
【精彩图文展示】
面向器官再生的高精度监测与电刺激神经调控
a. 外周感觉-计算机接口（PSCI）系统示意图。该装置包含一个环绕椎间盘背根神经的套袖电极，用于神经信号记录。二维多通道放大阵列（2D-MCAA）用于捕获并处理原始神经信号中的再生波（R波），通过靶向刺激促进椎间盘增强再生。
b. 二维二硫化钼多通道放大阵列的光学图像，展示64个器件单元的布局。比例尺：500微米。
c. 二维多通道放大阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像。红色和黄色虚线框分别标示控制栅极与源极/漏极电极；比例尺：10微米。插图呈现单个二硫化钼沟道的放大视图，显示其精确定制与对齐结构。
d. 8×8二维二硫化钼晶体管阵列的拉曼光谱图，在386和405 cm⁻¹附近显示特征峰，分别对应E₁₂g和A₁g振动模式。该光谱证实材料为化学气相沉积（CVD）制备的单层二硫化钼。
e. 二硫化钼沟道的原子力显微镜（AFM）图像。 morphology呈现均匀平整形貌，厚度约0.65纳米，证实二维多通道放大阵列所用单层二硫化钼的一致性与高质量。比例尺：1微米。
【结论】
综上所述，基于二维多通道放大阵列（2D-MCAA）的外周感觉-计算机接口（PSCI）研发标志着生物电接口技术的重大飞跃。将基于 MoS₂的晶体管阵列与 PSCI 系统高效集成，不仅赋予系统异常精准的生物电信号传感能力，更显著提升了人类对周围神经系统功能的理解与调控水平，为通过实时自适应治疗干预改善临床疗效带来新希望。此外，特殊的二维多通道放大阵列不仅保证了卓越灵敏度（开关比高达1.31×10⁷，亚阈值摆幅低至0.07V/dec）与最低能耗，更为未来持续监测器官状态的应用奠定基础。此项进展凸显了二维材料在医疗技术领域的革命性潜力，为个性化医疗与神经治疗策略的进步树立了新标杆。
