Design and validation of a foldable and photovoltaic wide-field epiretinal prosthesis  

可折疊光伏廣角視網(wǎng)膜假體的設(shè)計與驗證  

來源：Nature Communications, Volume 9, Article number 992 (2018)《自然通訊》，第9卷，文章編號992 (2018年)

 

摘要  

摘要闡述了研究設(shè)計了一種名為POLYRETINA的可折疊光伏寬場視網(wǎng)膜假體，用于治療外層視網(wǎng)膜營養(yǎng)不良導(dǎo)致的失明。該假體在46.3度視覺角內(nèi)嵌入2215個刺激像素，其中967個位于中央5mm區(qū)域，可折疊通過小鞏膜切口植入，并具有半球形以匹配眼曲率。研究證明其無細(xì)胞毒性，符合光學(xué)和熱安全標(biāo)準(zhǔn)，加速老化顯示壽命至少2年。POLYRETINA在同時改善視力和視野方面取得了顯著進展，解決了當(dāng)前領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

 

研究目的  

研究目的是設(shè)計和驗證一種可折疊、光伏的寬場視網(wǎng)膜假體，以同時提高視覺 acuity 和視覺 field，通過無線刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞來對抗失明。具體目標(biāo)包括實現(xiàn)高像素密度、可植入性、生物相容性和長期穩(wěn)定性。

 

研究思路  

研究思路包括使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為基底材料，設(shè)計半球形假體結(jié)構(gòu)，集成光伏像素（基于PEDOT:PSS和P3HT:PCBM），通過凱爾文探針力顯微鏡（KPFM）優(yōu)化像素性能，測量光電流和光電壓，進行離體視網(wǎng)膜刺激實驗，驗證機械折疊性、手術(shù)植入可行性，以及評估細(xì)胞毒性、熱安全和光學(xué)安全。研究還采用加速老化測試壽命，并通過有限元分析（FEA）模擬熱效應(yīng)和空間選擇性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 表面電位變化數(shù)據(jù)：來自圖3，通過KPFM測量，顯示光照下鋁陰極的表面電位變化約0.21V，而鈦陰極略低。研究意義是優(yōu)化光伏像素的材料組合，確保高效電荷生成，為假體刺激效率提供基礎(chǔ)。  

 

2 光電流和光電壓數(shù)據(jù)：來自圖4，顯示光電流密度峰值達135.51 μA/cm2（10ms脈沖，943.98 μW/mm2 irradiance），光電壓約180mV。研究意義是驗證假體在生理條件下能產(chǎn)生足夠的電流刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，支持無線功能。  

 

3 高頻刺激響應(yīng)數(shù)據(jù)：來自圖5，顯示在20Hz刺激下，光電流響應(yīng)穩(wěn)定，320,000次刺激后仍保持88.6%效率。研究意義是證明假體能承受長期重復(fù)使用，適合實際應(yīng)用。  

 

4 離體視網(wǎng)膜刺激數(shù)據(jù)：來自圖6，顯示在離體小鼠視網(wǎng)膜中，短潛伏期（SL） spikes在 irradiance 高于1.08 mW/mm2時飽和，平均潛伏期4.12ms。研究意義是證實假體能有效激活視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，且響應(yīng)可控。  

 

5 空間選擇性數(shù)據(jù)：來自圖7，通過電壓傳播測量和FEA模擬，顯示激活區(qū)域?qū)挾燃s100μm。研究意義是確保像素間最小串?dāng)_，提高空間分辨率。  

 

6 壽命測試數(shù)據(jù)：來自圖8，加速老化24個月后，表面電位變化無顯著差異。研究意義是證明假體具有長期穩(wěn)定性，壽命至少2年。  

 

7 熱安全數(shù)據(jù)：來自圖9和圖10，顯示在最大 irradiance 下，溫度升高僅1.25°C，低于安全閾值。研究意義是確認(rèn)假體符合熱安全標(biāo)準(zhǔn)，不會造成組織損傷。

 

 

 

結(jié)論  

1 POLYRETINA是一種創(chuàng)新的可折疊光伏視網(wǎng)膜假體，能同時提供寬視野（46.3度）和高像素密度（2215像素），顯著優(yōu)于現(xiàn)有假體。  

2 假體通過無線光伏刺激有效激活視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，離體實驗顯示響應(yīng)可靠，且具有優(yōu)異的生物相容性和安全性。  

3 加速老化和熱測試證明假體壽命至少2年，滿足臨床植入要求，為治療視網(wǎng)膜退化性疾病提供了有前景的解決方案。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense電極（如pH微電極）測量pH變化數(shù)據(jù)（來自Supplementary Fig. 2），研究意義在于驗證假體在操作過程中不會引起有害的化學(xué)變化。具體地，在1小時脈沖光照下，pH變化僅0.002單位，表明鈦電極界面穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生有害的電解反應(yīng)，從而確保假體的生物相容性和安全性。這種測量提供了關(guān)鍵證據(jù)，證明假體在生理環(huán)境中不會破壞酸堿平衡，減少了潛在的組織損傷風(fēng)險，支持其臨床應(yīng)用的可行性。