学科交叉方向:手性药物分子刷选、人工仿生神经突触器件

2020-02-27 23:18:28 1282

1. 手性药物分子筛选

1.1 背景与重要性

手性药物(Chiral Drugs)是指具有对映异构体(Enantiomers)的药物分子。由于生物体系的手性特性,不同对映体可能表现出不同的药理活性,甚至一个对映体是有效药,而另一个可能无效或有毒。因此,手性药物的高效筛选、分离与制备 是制药工业和生物医学的重要课题。

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1.2 主要筛选方法

(1) 色谱技术

  • ●手性高效液相色谱(Chiral HPLC):利用手性固定相分离不同对映体,如环糊精衍生物、手性多孔材料等。

  • ●手性气相色谱(Chiral GC):适用于挥发性手性化合物,采用手性固定相柱进行分离。

(2) 计算筛选与机器学习

  • ●分子对接(Molecular Docking):基于计算机模拟手性分子的受体结合情况,筛选高效手性药物。

  • ●人工智能与深度学习:利用AI训练模型预测手性药物的药效与毒性,提高筛选效率。

(3) 手性催化与对映体选择性反应

  • ●不对称催化(Asymmetric Catalysis):如手性金属催化剂(Rh, Pd, Ir)选择性合成目标手性药物。

  • ●酶催化拆分(Enzymatic Resolution):利用手性酶选择性催化对映体,实现高效筛选和分离。

(4) 手性光谱筛选技术

  • ●圆二色光谱(Circular Dichroism, CD):通过测量手性分子的光学活性,快速筛选手性药物。

  • ●表面增强拉曼光谱(SERS):结合手性纳米材料进行高灵敏度分子筛选。


1.3 未来发展方向

  • ●发展高通量筛选技术,加速新型手性药物开发。

  • ●结合AI驱动的虚拟筛选与实验筛选,提高筛选准确性。

  • ●研究仿生手性识别系统,利用生物受体进行高选择性筛选。


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●图一、手性药物分子刷选原理图(Banerjee-Ghosh et al., Science 360, 1331–1334 (2018)). 手性分子的电荷极化伴随着自旋极化。在每个极的特定自旋取向取决于分子的手性,自旋极化是由分子在手性势中电子再分布的动态过程引起的。

2. 人工仿生神经突触器件

2.1 背景与概述

●人工神经突触器件(Artificial Synapse Devices)是模仿生物神经突触功能的电子器件,能够实现突触权重调节、突触可塑性等特性,为人工智能、脑启发计算、类脑芯片提供新型硬件支持。

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2.2 主要研究方向

(1) 突触可塑性与人工突触的物理机制

  • ●短时突触可塑性(STP):短暂记忆过程,如电荷存储、离子迁移。

  • ●长时突触可塑性(LTP):长期学习与记忆,如基于相变存储(PCM)、忆阻器(Memristor)等。

  • ●突触权重调控:通过电压脉冲或光刺激调节突触强度,如离子液体控制、光敏忆阻器。

(2) 人工突触器件的材料体系

  • ●忆阻器(Memristor):利用电阻可变特性模拟突触行为,如金属氧化物(HfO₂, TiO₂)。

  • ●相变材料(PCM):如Ge₂Sb₂Te₅(GST),可模拟神经突触的长期学习过程。

  • ●二维材料(2D Materials):如MoS₂, WSe₂, 黑磷,因其低功耗、可调控性,适用于柔性突触器件。

  • ●生物仿生聚合物:如P3HT、PEDOT:PSS,具有良好的离子电荷传输能力,可模拟生物突触的离子流。

(3) 先进人工突触器件架构

  • ●光敏突触器件:结合光响应材料(如钙钛矿、量子点)进行光脉冲突触学习。

  • ●神经形态忆阻器阵列:大规模忆阻器阵列可实现类脑计算。

  • ●柔性与可穿戴神经突触器件:基于柔性电子材料,实现可穿戴脑机接口。


2.3 应用前景

  • ●类脑计算与人工智能(AI):通过神经形态计算,实现低功耗、高效的类脑芯片。

  • ●脑机接口(BCI):结合神经传感技术,实现人机交互和康复医疗。

  • ●自主学习机器人:用于智能机器人,提升学习能力和环境适应性。


2.4 未来挑战与展望

  • ●降低能耗:优化材料和器件结构,实现更低功耗的神经突触计算。

  • ●集成与可扩展性:大规模集成仿生神经突触阵列,提高计算能力。

  • ●多模态突触响应:结合光、电、热等信号,实现更接近生物神经网络的行为。


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图二、不同光照下基于栅极调控下的MoS2光电晶体管的多级光-神经突触器件原理图(Kim et al, ACS NANO, 10294-10300,2019)

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