基于仿生原理的鐵電高分子人造視網(wǎng)膜
視網(wǎng)膜是眼球后方一層薄薄的組織，負(fù)責(zé)收集光學(xué)圖像。數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人患有視覺障礙或完全失明，老年黃斑變性則是最常見的視網(wǎng)膜疾病。為了提升這些患者的生活質(zhì)量，研究人員正將想方設(shè)法發(fā)展可植入式的微電子視網(wǎng)膜假體。這些設(shè)備慣常使用半導(dǎo)體將光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后將信號(hào)傳輸給視神經(jīng)。美國(guó)能源部的人造視網(wǎng)膜計(jì)劃中，光感器件由電池供電，植入的電子設(shè)備與采集光學(xué)圖像的相機(jī)之間采用無(wú)線通信。
最近Advanced Materials（28, 10684, 2016）報(bào)道了化學(xué)化工學(xué)院高分子系和生命化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的一項(xiàng)研究。來(lái)自沈群東教授的研究組設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)潔、智能的器件，可以用作人造視網(wǎng)膜的一個(gè)關(guān)鍵組分。人的視網(wǎng)膜中含有多層神經(jīng)元細(xì)胞，由突觸相互關(guān)聯(lián)。其中光感細(xì)胞含有響應(yīng)不同顏色可見光的視覺色素分子。可見光誘導(dǎo)細(xì)胞膜的電極化，并將信號(hào)傳遞給其他神經(jīng)細(xì)胞，再經(jīng)過視神經(jīng)纖維傳遞給大腦。鑒于此，這種新設(shè)計(jì)的核心策略是將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后直接轉(zhuǎn)導(dǎo)給神經(jīng)元。該仿生裝置由兩類功能高分子材料復(fù)合而成。一種材料是光敏性高分子，在彩色光的照明之下分子的構(gòu)象發(fā)生轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生機(jī)械形變。另一種材料是鐵電高分子，它具有壓電效應(yīng)，能將復(fù)合材料的形變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化。入射光經(jīng)這種途徑轉(zhuǎn)變成電勢(shì)變化，再傳遞給與人造視網(wǎng)膜緊貼的神經(jīng)細(xì)胞。受激的神經(jīng)細(xì)胞可進(jìn)而與環(huán)境或其它細(xì)胞交換信使分子。
整個(gè)光電轉(zhuǎn)換過程在50毫秒的時(shí)間內(nèi)完成，與視網(wǎng)膜中的光受體細(xì)胞刺激-響應(yīng)的速度相當(dāng)。輸出的電信號(hào)取決于光波長(zhǎng)并正比于光刺激的強(qiáng)度。該器件可以抓取動(dòng)態(tài)圖像。結(jié)合納米加工技術(shù)，光學(xué)檢測(cè)單元可以縮微化，器件特征尺寸僅為單個(gè)光感細(xì)胞的五分之一。這些密堆積的光傳感單元構(gòu)成的陣列可用于分辨圖形的細(xì)節(jié)特征。單個(gè)視敏感單元的光響應(yīng)在入射光的方向最強(qiáng)，整個(gè)陣列具有構(gòu)造人造復(fù)眼的潛力。該研究提供了人造視網(wǎng)膜的一種嶄新設(shè)計(jì)思路，可獲取低成本高效應(yīng)、生物相容、神經(jīng)元可讀取、可植入的器件，其突出特點(diǎn)是無(wú)需電池驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自供能。
這項(xiàng)工作是和高分子系諶東中教授、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院葛海雄教授密切合作完成，第一作者為碩士研究生陳昕。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃的資助。
沈群東教授研究組近年來(lái)專注于鐵電高分子柔性電子器件研究，包括非侵入性動(dòng)態(tài)診斷心血管系統(tǒng)的傳感器（Adv. Funct. Mater. 26, 3640，2016）和超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（Adv. Funct. Mater. 23, 3124，2013）等。
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