忆阻器 （Memristor）是一种表示磁通与电荷关系的电路器件，具有记忆电荷和可变电阻性质，忆阻器能产生并维持一股安全的电流通过某个装置，并且在关掉电源后，仍能“记忆”先前通过的电荷量。忆阻器的研究与发展十分迅速，是当前最前沿的研究热点之一。在传统电子芯片技术领域外，如何将忆阻器用于生物医学领域成为了忆阻器研究中的新方向。今年以来，外科梦工场团队在忆阻器生物医学应用这一新赛道持续开展医工交叉研究，接连在可植入忆阻器制备、健康监测、疾病诊断和医学图像加密处理等领域产出了一系列高质量研究成果。
研究成果1：设计基于生物忆阻器的新型加密电路实现医学影像数据安全保护
随着远程医疗和电子健康记录的普及，医学相关的数据量逐渐增加并且其数据形式复杂多样。安全高效地传输和存储敏感的医学信息成为重要挑战，现有的加密电路存在能耗高、速度慢、环境友好性差等问题。基于忆阻器的加密方法不仅能够减少能耗，还能提高加密和解密过程的速度。为此，研究团队提出一种基于天然材料的生物忆阻器，该器件不仅具有显著的忆阻特性，还具有单向导通性。基于以上特性，研究人员将忆阻器与CMOS器件进行了集成，构建出了多种逻辑门电路。并且基于这些逻辑门设计出了一种新型加密电路，可以实现医疗数据和图像的统一规则加密和解密。这种基于生物材料的忆阻器不仅在集成电路、医疗数据安全方面具有重要应用价值，还为生物和环境友好型的电子器件制造提供了新思路。该研究成果以“Data encryption/decryption and medical image reconstruction based on a sustainable biomemristor designed logic gate circuit”为题在期刊Materials Today Bio（中科院医学大类1区，JCR Q1，2023IF 8.7）上发表，第一附属医院肝胆外科任冯刚副研究员，前沿科学技术研究院孙柏教授为论文通讯作者，未来技术学院在读硕士生吝福来为第一作者，电气学院在读博士生成宇琛等为共同作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2024.101257
研究成果2：提出体内可逆植入忆阻器用于健康监测
研究团队首次提出了一种生物体内可植入的忆阻器，并探究了其用于监测生物体器官血流及功能信号变化的可行性。在本研究中，忆阻器植入大鼠体内后能够对生物信号做出三个阶段响应，显示出对生物信息变化的显著敏感性。其工作原理主要是生物体内信息变化引起忆阻器功能层材料导电性的显著变化，进一步反馈为其忆阻行为。本研究首次验证了忆阻器在生物体内留置的可行性，为未来忆阻器在生物信息检测、辅助诊断和术后恢复监测中的应用提供了理论及实验基础。该研究成果以“A reversible implantable memristor for health monitoring applications”为题在期刊Materials Today Bio上发表，第一附属医院老年外科卢强助理研究员，前沿科学技术研究院孙柏教授为论文通讯作者，前沿科学技术研究院在读博士生曹泽霖和第一附属医院在读硕士生向林彪为论文共同第一作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2024.101096
研究成果3：构建基于新型压电材料的忆阻器并验证其在神经网络中的作用
研究团队通过在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3中掺杂Sm，开发出了一种基于Ag/Sm-PMN-PT/ITO结构的新型忆阻器。该器件的电阻开关行为可以通过多种因素进行调节，包括电压扫描速率、偏置电压幅度、环境温度和湿度，该器件对湿度变化的响应尤为敏感。并且基于脉冲数量变化该器件可以实现的电导在一定范围内的连续可调，展现出较好的类神经突触特性。研究人员将其在模拟神经网络中测试应用，通过训练和测试MNIST手写数字图像，实现了93.8%的识别准确率。这项研究为忆阻器在复杂环境中实现多因素调控和构建新型人工神经系统奠定了基础。该研究成果以“Multi-factors-regulated memristor based on Sm-doped Pb(Mg1/3Nb2/3) O3–PbTiO3 for artificial neural network”为题在期刊Materials Today Advances（中科院材料大类2区，JCR Q1，2023IF 8.1）上发表，第一附属医院肝胆外科任冯刚副研究员，前沿科学技术研究院孙柏教授为论文通讯作者，电信学部李景雷特聘研究员完成新型压电材料制备，未来技术学院在读硕士生吝福来和第一附属医院在读博士生李卓群为共同第一作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2024.100506
研究成果4：构建基于血液的生物忆阻器并用于血糖和血脂监测
研究团队进一步研制了一种以生物体液成分为功能层的生物忆阻器，用于体液生物化学性质的检测。结果表明，该器件在低电压偏置下表现出优异的电阻开关(RS)性能。通过机理分析，证实了RS行为是由欧姆传导和离子重排驱动的。在此基础上，首次构建了基于忆阻器逻辑电路的高血糖和高血脂检测装置，并进行了电路仿真。这些结果证实了基于血液的生物忆阻器用于生物体液性质检测中的可行性，为忆阻器实现生物传感应用提供了新思路。该研究成果以“Blood-based biomemristor for hyperglycemia and hyperlipidemia monitoring”为题在期刊Materials Today Bio上发表，第一附属医院老年外科卢强助理研究员，前沿科学技术研究院孙柏教授为论文通讯作者，前沿科学技术研究院在读博士生郜凯凯为论文第一作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2024.101169
外科梦工场生物忆阻器研究团队主要由孙柏教授、任冯刚副研究员、卢强助理研究员、秦思达副主任医师等组成，团队致力于通过深度医工交叉融合，以临床问题为导向，为忆阻器在生物医学领域转化应用奠定理论基础。孙柏教授是忆阻器领域国际知名学者，2022年回国入职西安交通大学前沿科学技术研究院，入选西安交通大学青年拔尖人才A类，2023年加入外科梦工场团队并受聘第一附属医院双聘教授，2024年成功获批国家级青年人才项目支持，入选2024年度全球前2%顶尖科学家榜单。上述研究受到国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省共性技术研发平台、西安交通大学青年拔尖人才以及中央高校基本科研业务费等项目支持。
