新突破！臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)助力成果登上Mater. Sci. Eng. R！

近期復(fù)旦大學(xué)周鵬/王水源團隊與haijun軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院陳華江團隊利用臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3成功研發(fā)出一種基于單層二硫化鉬（MoS?）新型感覺神經(jīng)-機器接口（Peripheral Sensory-Computer Interface, PSCI）系統(tǒng)，能夠以高精度捕獲和解碼來自感覺神經(jīng)的生物電信號，實現(xiàn)了感知生物信號的實時高保真處理以及生物電刺激的閉環(huán)控制，進一步實現(xiàn)了小鼠受損椎間盤的恢復(fù)再生。相關(guān)成果以“Neuromorphic peripheral sensory-computer interface embodied by two-dimensional ultrasensitive circuits”為題發(fā)表于《Materials Science & Engineering R: Reports》（IF：31.6）

【引言】

在人體與環(huán)境復(fù)雜的交互中，神經(jīng)系統(tǒng)憑借超卓的生物電信號傳輸能力，支撐人類完成精細操作等動態(tài)任務(wù)，同時維持著內(nèi)感受反射等關(guān)鍵生理過程。這種反射對血壓調(diào)節(jié)等生命功能的維持至關(guān)重要，還能為靶器官的精準修復(fù)提供指導(dǎo)。然而，外周神經(jīng)系統(tǒng)生物電信號的精細解碼始終面臨巨大挑戰(zhàn)，這一技術(shù)瓶頸嚴重制約了對持續(xù)性疼痛、慢性疾病等常見病癥的精準診療。

椎間盤退變性疾病作為影響社會健康的重要疾病，如何減緩甚至逆轉(zhuǎn)椎間盤退變，是脊柱外科領(lǐng)域亟待攻克的核心科學(xué)難題。盡管腦機接口（BCI）等技術(shù)已實現(xiàn)對大腦生物電信號的捕獲與解碼，在癱瘓、抑郁等病癥的輔助治療中發(fā)揮作用，但針對具有復(fù)雜動態(tài)特性的外周神經(jīng)系統(tǒng)，類似的技術(shù)突破遲遲未能出現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)在精準捕獲神經(jīng)電信號時，要么精度不足難以滿足研究與臨床需求，要么易對神經(jīng)組織造成損傷，無法實現(xiàn)安全高效的信號采集。

為破解這一困境，復(fù)旦大學(xué)與長征醫(yī)院團隊采用超靈敏、低功耗的原子級薄二維晶體管陣列，構(gòu)建了外周感覺-計算機接口（PSCI），該接口能以創(chuàng)新性的精度捕獲并解碼感覺神經(jīng)發(fā)出的微伏級生物電信號，有效抑制生物電噪聲，并以低電壓運行確保直接在人體表面實現(xiàn)精準、安全且高效的操作。通過與神經(jīng)生理系統(tǒng)的無縫集成，PSCI可覆蓋0-20 Hz再生頻段并適配再生波形，實現(xiàn)對靶器官功能長達28天的精準監(jiān)測與調(diào)控，真正達成感覺生物信號的實時高保真處理及生物電刺激的閉環(huán)控制。這一突破有望填補當(dāng)前神經(jīng)接口的技術(shù)空白，為未來醫(yī)療診斷與治療的創(chuàng)新開辟道路。

這項神經(jīng)接口工程的重大進展基于超靈敏低功耗半導(dǎo)體晶體管陣列的神經(jīng)形態(tài)接口，其核心是由臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng) MicroWriter ML3制備的原子級薄MoS?晶體管構(gòu)建8×8二維多通道放大陣列（2D-MCAA）。MicroWriter ML3憑借高精準虛擬掩膜對準技術(shù)，不受樣品尺寸和形狀的限制，在SiO₂基底上生長的MoS₂薄膜上精準完成柵極圖案、源極和漏極的圖形化加工，加工精度可達400 nm，為后續(xù)的電子束蒸發(fā)鍍膜、刻蝕等關(guān)鍵工藝提供了精確的圖形基準，保障了器件制備的高精度與穩(wěn)定性。

與此同時，MicroWriter ML3 具備緊湊化設(shè)計，融合多種加工分辨率，可自動切換實現(xiàn)組合曝光；雙光源配置支持不同直寫光源靈活切換，適配多類型商業(yè)光刻膠選擇；并配有人性化的人機交互界面，以高效、穩(wěn)定的加工能力和開放靈活的技術(shù)為核心競爭力。MicroWriter ML3不僅為該成果成功發(fā)表于《Materials Science & Engineering R: Reports》提供了堅實保障，更通過二維電子器件顯著增強了動態(tài)生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用效能。MicroWriter ML3 將繼續(xù)為前沿科研探索提供強大助力。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【精彩圖文展示】

面向器官再生的高精度監(jiān)測與電刺激神經(jīng)調(diào)控

a. 外周感覺-計算機接口（PSCI）系統(tǒng)示意圖。該裝置包含一個環(huán)繞椎間盤背根神經(jīng)的套袖電極，用于神經(jīng)信號記錄。二維多通道放大陣列（2D-MCAA）用于捕獲并處理原始神經(jīng)信號中的再生波（R波），通過靶向刺激促進椎間盤增強再生。

b. 二維二硫化鉬多通道放大陣列的光學(xué)圖像，展示64個器件單元的布局。比例尺：500微米。

c. 二維多通道放大陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。紅色和黃色虛線框分別標(biāo)示控制柵極與源極/漏極電極；比例尺：10微米。插圖呈現(xiàn)單個二硫化鉬溝道的放大視圖，顯示其精確定制與對齊結(jié)構(gòu)。

d. 8×8二維二硫化鉬晶體管陣列的拉曼光譜圖，在386和405 cm?1附近顯示特征峰，分別對應(yīng)E??g和A?g振動模式。該光譜證實材料為化學(xué)氣相沉積（CVD）制備的單層二硫化鉬。

e. 二硫化鉬溝道的原子力顯微鏡（AFM）圖像。 morphology呈現(xiàn)均勻平整形貌，厚度約0.65納米，證實二維多通道放大陣列所用單層二硫化鉬的一致性與高質(zhì)量。比例尺：1微米。

【結(jié)論】

綜上所述，基于二維多通道放大陣列（2D-MCAA）的外周感覺-計算機接口（PSCI）研發(fā)標(biāo)志著生物電接口技術(shù)的重大飛躍。將基于 MoS?的晶體管陣列與 PSCI 系統(tǒng)高效集成，不僅賦予系統(tǒng)異常精準的生物電信號傳感能力，更顯著提升了人類對周圍神經(jīng)系統(tǒng)功能的理解與調(diào)控水平，為通過實時自適應(yīng)治療干預(yù)改善臨床療效帶來新希望。此外，特殊的二維多通道放大陣列不僅保證了很高的靈敏度（開關(guān)比高達1.31×10?，亞閾值擺幅低至0.07V/dec）與低能耗，更為未來持續(xù)監(jiān)測器官狀態(tài)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。此項進展凸顯了二維材料在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的革命性潛力，為個性化醫(yī)療與神經(jīng)治療策略的進步樹立了新范例。