摘要：第一作者：Zelin Cao通讯作者：Sida Qin，Jinyou Shao，Bai Sun通讯单位：西安交通大学DOI: 10.1002/adma.202411659
第一作者：Zelin Cao
通讯作者：Sida Qin，Jinyou Shao，Bai Sun
通讯单位：西安交通大学
DOI: 10.1002/adma.202411659
背景介绍
肺动脉高压（PH）是一种临床和病理生理综合征，其特征是由于各种异质性疾病（病因）和不同的致病机制导致的肺血管结构或功能变化，导致肺血管阻力和肺动脉压增加，随后可能发展为右心衰竭甚至死亡。据估计，世界上至少有1%的人口受到PH的影响，PH领域的诊断策略也在不断更新。常规检查通常包括心电图（ECG）、胸部X光片、超声心动图和有症状患者的肺功能检查。同时，右心导管插入术（RHC）是诊断PH的金标准，但其侵入性和易受三尖瓣反流的影响限制了其临床应用。尽管经胸超声心动图仍被广泛使用，但由于病情的异质性和右心室的独特几何形状，它无法可靠地指示PH状态，因此不足以进行诊断。因此，迫切需要开发新的PH诊断方法。
近年来，随着人工智能的快速发展，柔性可穿戴或植入式电子设备的利用为PH的诊断和预防提供了新的机遇，一些压力传感器被实验性植入生物体内用于血管压力监测。然而，生物技术的不断发展也对植入式传感设备提出了更高的要求，如小型化、高生物相容性、强大的数据处理能力和超低功耗。目前，这些传感器主要依赖于硅基冯·诺伊曼架构，这在处理复杂而乏味的生物信号方面存在严重的算法缺陷。另一方面，由于其固定的材料和结构，大多数传统传感器难以满足生物相容性和灵活性的要求。忆阻器被认为是下一代人工智能设备中用冯·诺伊曼架构取代传统芯片的最有前景的候选者。它们的高集成密度、低功耗和广泛的材料选择使其成为传感和处理复杂生物信号的理想选择。集成的传感和计算能力非常适合处理复杂的生物数据，而与其他植入式设备相比，它们广泛的材料选择赋予了它们无与伦比的灵活性。目前，将忆阻器用作生物信息监测的可植入设备仍然是一个未经探索的研究领域。因此，研究忆阻器作为传统硅基压力传感器的替代品具有突出的应用前景和无与伦比的优势。
越来越多的研究团队一直在使用外部压力通过压电效应、压阻效应或摩擦电效应等机制来调节忆阻器的电气或机械行为。这种通过压力输入直接控制忆阻器特性的方法赋予了忆阻器比传统压力传感器更复杂的记忆和学习能力，并且可以将外部压力直接转换为可处理的电信号，从而提高了灵活性。然而，将压力传感器与忆阻器耦合的传统方法无法解决两个模块之间频繁数据传输引起的数据冗余问题。
在各种类型的忆阻器中，铁电材料基忆阻器因其稳定的忆阻保持性能和优异的压电性能而引起了许多研究人员的关注。钙钛矿结构的BaTiO3是一种典型的压电材料，由于其优异的电化学性能和掺杂改性的适用性，具有许多重要的潜在应用。因此，基于BaTiO3的压电特性制备压敏植入式忆阻器可能是一项创新的研究工作。然而，仍然存在一些问题，如高介电损耗、低居里温度和较低的开关比，严重阻碍了BaTiO32作为一种具有多种晶体结构的典型氧化物，通常表现出高的氧亲和力，其独特的性质为这种电子设备中的电荷转移提供了稳定性，使其在电池、传感器和超级电容器中得到了广泛的应用。本文亮点
23/FTO结构的忆阻器，并将其植入Sprague-Dawley（SD）大鼠体内。采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装，该设备可以在体内连续工作长达四周，表现出优异的稳定性和生物相容性。2. 基于所制备的忆阻装置的压力响应特性，设计了一种用于肺动脉血压监测的忆阻传感器阵列。前端忆阻传感器阵列可以收集和反馈压力信号，同时通过忆阻逻辑电路实现降噪，最终由忆阻神经网络对信息进行处理和分类。
图文解析
图2. 植入SD大鼠体内一个月的PDMS封装忆阻器件的电阻开关性能。a） 植入后第一周测试的设备的典型I-V曲线。b） 在第二周测试了V曲线。c） 在第三周测试了V曲线。d） 在第四周测试了V曲线。e） 植入后四周耐力特征的比较。f） 四周时间尺度内保留行为的演变。g） 在施加2.6V的最大正电压下，忆阻器件在四周内的电流变化。h） 在-2.6 V的最大负电压下，比较四周内的电流变化。i） HRS和LRS在不同时间间隔的高斯分布。
图5. 基于忆阻器的压力信息处理系统和基于忆阻阵列的肺动脉高压检测系统。a） 压力传感忆阻器阵列和压力水平分布。b） 由于外部压力在功能层中形成导电通道的内部极化示意图。c） 基于忆阻器构建的逻辑AND和OR门。d） 构建了一个结合忆阻器逻辑门的3×3忆阻器阵列，以模拟压力信号降噪。e） 基于MATLAB的仿真实现逻辑门真值表。f） 血管压力信号降噪效果示意图。g） 植入式柔性忆阻器示意图。h） 通过忆阻信号分析区分肺动脉高压和正常血压。i） 肺动脉血压和忆阻器电阻值之间的时间尺度匹配。j） 构建基于忆阻器的全连接神经网络，用于血压信号的反馈和处理。
来源：华算科技
