神经接口彻底改变了人类对复杂生理过程中神经动态的理解，为治疗耐药性神经精神疾病（例如癫痫）和感觉功能障碍（例如听力损失）提供了变革性潜力。此外，它们在神经康复方面也大有可为，包括提供有针对性的听觉刺激、提供感觉反馈，以及获取人体生理数据以加深研究人员对生理机制的理解。然而，目前的技术仍面临着关键挑战，限制了它们的有效性以及与先进生物电子学的整合。这些挑战包括：非柔性界面，可能导致排斥或退化；外部元件笨重且耗电，限制了微型化和便携性；信噪比（SNR）低，妨碍了生物相关信号的准确采集。要解决这些挑战需要开发可完全植入、自供电，并能与生物系统无缝连接的下一代器件。
能够对机械变形做出响应的器件尤其具有发展前景，因为它们可以通过将来自环境或身体某个部位的机械刺激（例如触觉、声音等）转换为电信号（神经元通信的基本语言）来建立通信链路。因而，选择具有最佳响应特性的材料对这类器件至关重要。记忆合金和压电材料最常用于实现这一目标。压电材料具有响应机械应力（例如振动引起的应力）产生电荷的独特能力，而不需要额外的组件。此外，压电聚合物制成的传感器还具有柔性、灵敏度和高频选择性。它们具有良好的外形因素，可以自由制造各种形状和保形几何体，因此适用于要求苛刻的拓扑结构，例如内耳蜗。
传统上，大多数压电器件基于锆钛酸铅（PZT）、氮化铝（AlN）和聚偏二氟乙烯（PVDF）。然而，PZT和AlN都面临各自的局限性，尤其是在生物相容性和刚度方面。相比之下，PVDF及其共聚物聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）具有高压电性、良好的化学稳定性、易加工性和良好的机械性能。在用于加工PVDF和PVDF-TrFE的各种方法中，电纺丝因其简单性和生产压电纤维的能力而备受关注，其对声学信号的选择性最高可提高五倍。
基于PVDF纤维膜的柔性传感器已被广泛研究，以检测动物和人类的微小压力和运动变化。这些传感器对肌肉收缩和呼吸等运动非常敏感。例如，由PVDF纳米纤维制成的肌动图（MMG）传感器可用于监测下肢运动。然而，MMG产生的信号很弱，需要放大和滤波才能进行有效的信号处理。同样，PVDF-TrFE传感器可以像传统听诊器一样捕捉人体振动。这些传感器需要包括放大器、滤波器和模数转换器的一整套采集系统。基于PVDF纳米复合材料的纳米发电机已被用于检测肘部和膝部的运动。PVDF纤维的进步也为其在人工耳蜗中的潜在应用进行了探索。
柔性压电传感器展示了无需外部组件植入的潜力，但其用于刺激神经元的低效“位移-电”转换仍需要额外的放大和处理，而这通常需要依赖传统元件。这些元件通常由硅基电子元件制成，存在机械不匹配和生物相容性差等问题，因此必须采用较大尺寸的封装。为了提高信号放大率，研究人员探索了将压电薄膜与有机电化学晶体管（OECT）集成。不过，在这些设计中，压电薄膜通常充当单独的栅极，通过外部电缆将信号传输到OECT。这种配置本身容易出现阻抗失配和信号损耗，导致性能不理想。此外，这些架构通常存在填充系数低的问题，从而限制了有源压电区域的利用率。这一点再加上外形尺寸的限制，阻碍了它们的微型化以及更广泛的适用性。
据麦姆斯咨询介绍，为了应对这些挑战，比利时根特大学的研究人员开发了新一代独立、灵活、柔软的压电内部离子门控有机电化学晶体管架构（Piezo-IGT），该架构无需外部连接，可通过现场放大将机械振动高效地转换为电信号。该研究成果已经以“Piezoelectric ion gated organic electrochemical transistors for efficient vibration sensing and on-site amplification”为题发表于npj Flexible Electronics期刊。
不同信号传输架构的对比示意图
该系统基于内部离子门控有机电化学晶体管（IGT），可确保高增益带宽（比其它离子晶体管高出几个数量级），PVDF-TrFE薄膜作为栅极材料。与传统的基于OECT的设计不同，Piezo-IGT将压电栅极、离子膜和IGT通道集成到一个独立的系统中。
Piezo-IGT基本构建模块（上图），各种机械响应生物电子系统的潜在应用（下图）
这种通过连续沉积和层压技术实现的无缝集成，最大程度地减少了对准问题，并消除了与外部接线相关的阻抗失配和信号损失。优化后的结构实现了高填充系数，确保了有源压电区域的最大利用率，并显著提高了转换效率。
Piezo-IGT器件剖面示意图、器件运行接线图及其性能表征
通过将柔性晶体管增益级直接集成到柔性压电传感器中，研究人员同时实现了传感器和前端电子元件的柔性，并提高了信噪比，而这一性能水平在传统上需要刚性硅基电子元件。通过在压电传感器接口处直接集成一个增益级来提高信噪比，减轻了传感器与后端电子器件互连所产生的潜在电磁干扰，并大大减弱了后端电子器件对传感器终端输入参考噪声的影响。
层压压电薄膜的机械变形可产生足够的电压，对IGT的聚合物通道进行掺杂和去掺杂，从而在零栅极电压（VG~0）附近显示出最大的电导率，从而消除了外部栅极偏置的需求。与独立的压电薄膜相比，这实现了快速、放大的压电转换，信噪比显著提高，无需额外的信号处理。PVDF-TrFE微纤维薄膜的大外形尺寸和形态进一步提高了压电薄膜对高频振动的灵敏度，符合生物相关频率范围。
Piezo-IGT能够捕捉高质量的MMG、语音和MCG信号
研究人员通过从各种机械振动源，包括肌动图（MMG）、语音识别和心动图（MCG），捕获高质量的放大信号，验证了Piezo-IGT的性能，Piezo-IGT具备集成到生物电子系统所需的所有关键特性，能够采集、放大并处理来自生物和环境的各种振动信号。
Piezo-IGT展现的特性使其成为集成到生物电子电路中的理想之选，以实现与振动和运动进行交互。研究结果证明了它们在需要精确检测和分辨微小局部机械信号的应用中的潜力，例如在假肢、手势识别和语音识别系统，无需额外的信号处理。Piezo-IGT可用于可穿戴设备和电子皮肤，在预防性健康监测（例如睡眠监测、癫痫发作警报系统）、闭环治疗设备（例如用于稳定帕金森病症状），甚至是无需外部元件即可运行的先进耳蜗植入中都有广阔的应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41528-025-00418-3
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