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基于仿生原理的铁电高分子人造视网膜

   

2017-06-12

   视网膜是眼球后方一层薄薄的组织,负责收集光学图像。数以百万计的人患有视觉障碍或完全失明,老年黄斑变性则是最常见的视网膜疾病。为了提升这些患者的生活质量,研究人员正将想方设法发展可植入式的微电子视网膜假体。这些设备惯常使用半导体将光转换成电流信号,然后将信号传输给视神经。美国能源部的人造视网膜计划中,光感器件由电池供电,植入的电子设备与采集光学图像的相机之间采用无线通信。

     Advanced Materials (28, 10684, 2016)报道了南京大学高分子学科沈群东教授的研究组设计的一种简洁、智能的器件,可以用作人造视网膜的一个关键组分。人的视网膜中含有多层神经元细胞,由突触相互关联。其中光感细胞含有响应不同颜色可见光的视觉色素分子。可见光诱导细胞膜的电极化,并将信号传递给其他神经细胞,再经过视神经纤维传递给大脑。鉴于此,这种新设计的核心策略是将光转换成电信号后直接转导给神经元。该仿生装置由两类功能高分子材料复合而成。一种材料是光敏性高分子,在彩色光的照明之下分子的构象发生转换,并产生机械形变。另一种材料是铁电高分子,它具有压电效应,能将复合材料的形变转换成电信号的变化。入射光经这种途径转变成电势变化,再传递给与人造视网膜紧贴的神经细胞。受激的神经细胞可进而与环境或其它细胞交换信使分子。

     整个光电转换过程在50毫秒的时间内完成,与视网膜中的光受体细胞刺激-响应的速度相当。输出的电信号取决于光波长并正比于光刺激的强度。该器件可以抓取动态图像。结合纳米加工技术,光学检测单元可以缩微化,器件特征尺寸仅为单个光感细胞的五分之一。这些密堆积的光传感单元构成的阵列可用于分辨图形的细节特征。单个视敏感单元的光响应在入射光的方向最强,整个阵列具有构造人造复眼的潜力。该研究提供了人造视网膜的一种崭新设计思路,可获取低成本高效应、生物相容、神经元可读取、可植入的器件,其突出特点是无需电池驱动,能够实现自供能。

   
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