具有丝蛋白的混合晶体管为生物学和微电子学的集成奠定了基础

您的手机的微处理器芯片中可能装有超过 150 亿个微型晶体管。晶体管由硅、金和铜等金属以及绝缘体制成，它们共同吸收电流并将其转换为 1 和 0 以传达信息并存储信息。晶体管材料是无机的，基本上来源于岩石和金属。

但是，如果你能让这些基本的电子元件成为生物的一部分，能够直接对环境做出反应，像活组织一样变化呢？

这就是塔夫茨大学Silklab的一个团队在创造晶体管用生物丝代替绝缘材料时所做的。他们在Advanced Materials上 报告了他们的发现。

丝素蛋白 – 蚕丝纤维的结构蛋白 – 可以精确地沉积到表面上，并很容易与其他化学和生物分子一起改变其性质。 以这种方式功能化的真丝可以从身体或环境中拾取和检测各种成分。

该团队首次演示了原型设备，使用带有丝素蛋白的混合晶体管来制造高灵敏度和超快的呼吸传感器，检测湿度的变化。晶体管中丝层的进一步修改可以使设备检测一些心血管和肺部疾病，以及睡眠呼吸暂停，或者吸收二氧化碳水平以及呼吸中的其他气体和分子，从而可能提供诊断信息。与 血浆一起使用，它们可以潜在地提供有关氧合和葡萄糖水平、循环抗体等的信息。

在开发混合晶体管之前，由Frank C. Doble工程学教授Fiorenzo Omenetto领导的Silklab已经使用丝心蛋白为织物制造生物活性油墨，可以检测环境或身体的变化，感知可以放置在皮肤下或牙齿上的纹身，以监测健康和饮食， 以及可以打印在任何表面上的传感器，以检测病原体，例如导致COVID-19的病毒。

工作原理

晶体管只是一个电气开关，一个金属电引线进入，另一个出去。引线之间是半导体材料，之所以这样称呼，是因为它除非被哄骗，否则无法导电。

另一个称为栅极的电输入源通过绝缘体与其他所有源隔开。栅极充当打开和关闭晶体管的“钥匙”。当阈值电压在绝缘体上产生电场时，它会触发导通状态，引发半导体中的电子运动并开始电流流过引线。

在生物混合晶体管中，丝层用作绝缘体，当它吸收水分时，它就像凝胶一样携带其中包含的任何离子（带电分子）。栅极通过重新排列丝凝胶中的离子来触发导通状态。通过改变丝绸中的离子组成，晶体管的操作会发生变化，允许它由 0 到 1 之间的任何栅极值触发。

“你可以想象创建电路，利用信息，这些信息不是由数字计算中使用的离散二进制电平表示的，但可以像模拟计算一样处理可变信息，变化是由改变丝绝缘体内部的东西引起的，”Omenetto说。“这开辟了将生物学引入现代微处理器计算的可能性。当然，已知最强大的生物计算机是大脑，它处理具有不同水平的化学和电信号的信息。

创建混合生物晶体管的技术挑战是实现纳米级的丝绸加工，低至10nm或小于人类头发直径的1/10,000。“实现这一目标后，我们现在可以制造具有与商业芯片制造相同的制造工艺的混合晶体管，”工程学院博士后研究员Beom Joon Kim说。“这意味着你可以制造十亿个这样的功能。

拥有数十亿个晶体管节点，其连接通过丝绸中的生物过程重新配置，可能会导致微处理器可以像人工智能中使用的神经网络一样。“展望未来，人们可以想象拥有集成电路来训练自己，响应环境信号，并直接在晶体管中记录存储器，而不是将其发送到单独的存储，”Omenetto说。

检测和响应更复杂的生物状态的设备，以及大规模的模拟和神经形态计算尚未创建。Omenetto对未来的机会持乐观态度。“这为思考电子学和生物学之间的界面开辟了一种新的方式，未来将有许多重要的基础发现和应用。