結(jié)果

設(shè)計(jì)和制造。

圖1、可折疊光伏寬視場(chǎng)視網(wǎng)膜假體。

POLYRETINA是一種新型的可折疊光電寬視場(chǎng)視網(wǎng)膜假體，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基底材料，因?yàn)樗哂型该餍浴椥浴⒌蜅钍夏Ａ亢透邞?yīng)變失效率。此外，PDMS還是醫(yī)用級(jí)彈性體，已在醫(yī)療設(shè)備中得到應(yīng)用。該裝置包括一個(gè)PDMS-光伏界面(圖1a、c)，嵌入2215個(gè)刺激像素(直徑分別為80微米和130微米)，分布在12.7毫米的有效區(qū)域內(nèi)。每個(gè)像素由PEDOT：PSS底部陽(yáng)極、P3HT：PCBM(也稱(chēng)為Blend)半導(dǎo)體層和鈦(Ti)頂部陰極組成。另一個(gè)PDMS層封裝了假體，避免了有機(jī)材料的分層和降解，延長(zhǎng)了假體的使用壽命。封裝層上開(kāi)有直徑分別為67微米和120微米的開(kāi)口，以露出陰極(圖1f)。鈦是一種機(jī)械和電化學(xué)性能穩(wěn)定的金屬，廣泛應(yīng)用于植入式裝置，對(duì)光伏機(jī)制具有適當(dāng)?shù)墓瘮?shù)，而且是一種電容性電荷注入材料(也是由于在表面形成了一層薄薄的氧化鈦)。對(duì)于單相脈沖(如這種光伏方法)來(lái)說(shuō)，后者是可取的，因?yàn)樵诖碳っ}沖期間不會(huì)產(chǎn)生或消耗化學(xué)物質(zhì)，從而避免了不必要的組織反應(yīng)。在這種情況下，電極/電解質(zhì)界面可被模擬為純電容器，不會(huì)發(fā)生從金屬到溶液的電子轉(zhuǎn)移。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們?cè)诿}沖光照(20Hz，10ms，3.4mW mm-2；N=3個(gè)裝置)1小時(shí)后，用微電極測(cè)量位于PDMS-光電界面鈦電極上方的pH值。輻照度被設(shè)定為高于假肢應(yīng)用所允許的最大值(見(jiàn)光學(xué)和熱安全)。在照明過(guò)程中，檢測(cè)到pH值發(fā)生了約0.002個(gè)pH單位的微小偏移，這可能是假體引起的局部溫度升高造成的記錄偽影(見(jiàn)光學(xué)和熱安全)。局部加熱可能會(huì)降低溶液的電阻率，從而減小pH值微電極與局部基準(zhǔn)之間的電壓差。

圖2、模擬手術(shù)植入。

POLYRETINA的半球形(圖1b、d)是通過(guò)將PDMS光電界面粘合在圓頂形PDMS支座(圖1a)上獲得的，圓頂形PDMS支座的曲率半徑為12毫米，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)人眼的曲率半徑。粘合導(dǎo)致PDMS光伏界面徑向伸長(zhǎng)約3%(直徑)，這被認(rèn)為是確定覆蓋視網(wǎng)膜表面的依據(jù)。四個(gè)帶孔的固定翼用于固定假體(圖1d)。POLYRETINA的折疊、插入和視網(wǎng)膜表面的覆蓋已在人眼塑料模型的模擬手術(shù)中進(jìn)行了評(píng)估(圖2a)。假體可在植入前折疊(圖1e、2a，左上角)，通過(guò)6.5毫米的孔插入(圖2a，右上角)，在后房?jī)?nèi)釋放(圖1g、2b，右下角和左下角)，并以視網(wǎng)膜外結(jié)構(gòu)連接(圖2b)。同樣的手術(shù)方法也在去核豬眼中得到了驗(yàn)證(圖2c)。

光伏像素優(yōu)化。

圖3、光伏像素的優(yōu)化。

首先，我們使用開(kāi)爾文探針力顯微鏡(KPFM)評(píng)估了不同制造條件下陰極在照明時(shí)產(chǎn)生的表面電位變化(圖3a、b)。為了評(píng)估底部陽(yáng)極的作用，我們?cè)诓ＡЩ咨现谱髁斯夥缑妫ㄓ摄熷a氧化物(ITO)制成的底部陽(yáng)極、PEDOT：PSS注入層、P3HT：PCBM半導(dǎo)體層和鋁(Al)頂部陰極。我們最初使用鋁，因?yàn)樗怯袡C(jī)光伏技術(shù)中最常見(jiàn)的陰極材料之一。對(duì)幾個(gè)裝置進(jìn)行的KPFM測(cè)量(圖3c)表明，與僅使用P3HT：PCBM相比，鋁陰極在照明(白色LED，從頂部照射，0.4mW mm-2)時(shí)的表面電勢(shì)變化要高出約15倍(圖3d)。當(dāng)存在鋁時(shí)，沒(méi)有任何陽(yáng)極(ITO或ITO/PEDOT：PSS)會(huì)顯著降低照明時(shí)的表面電位變化(圖3d，左側(cè))。如果存在PEDOT：PSS注入層，則有無(wú)ITO陽(yáng)極均無(wú)明顯差異。在沒(méi)有鋁陰極的情況下，不同底部陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)也不會(huì)產(chǎn)生明顯差異(圖3d，右圖)。使用鋁陰極、ITO/PEDOT：PSS或僅使用PEDOT：PSS時(shí)，表面電位變化最大：PSS陽(yáng)極或只有PEDOT：PSS陽(yáng)極時(shí)，表面電勢(shì)變化最大。因此，為了簡(jiǎn)化制造過(guò)程，我們將PEDOT：PSS單獨(dú)用作底層。我們還驗(yàn)證了當(dāng)在PDMS基底上而不是裸玻璃上構(gòu)建界面時(shí)，表面電位變化沒(méi)有發(fā)生變化(圖3e)，陰極鋁的直徑分別為100和150μm；各組之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)差異。當(dāng)鈦取代鋁時(shí)，表面電位略有降低。

圖4、光電流和光電壓的特征。

KPFM測(cè)量是在空氣中以非接觸模式進(jìn)行的；因此，測(cè)量到的表面電位變化可能與電極-電解質(zhì)界面上發(fā)生的雙層電容充電所產(chǎn)生的電位略有不同，如植入視網(wǎng)膜假體的情況。因此，我們測(cè)量了在電解質(zhì)溶液存在的情況下，光照時(shí)產(chǎn)生的光電流(PC)和光電壓(PV)。我們制作了嵌入六個(gè)電極的芯片，每個(gè)電極都與一個(gè)接觸墊相連，用于測(cè)量相對(duì)于浸入溶液中的銀/氯化銀參比電極的信號(hào)(圖4a)。PC和PV都是在光照(565納米)強(qiáng)度(12.75、111.11、225.00、430.56、616.67、785.65和943.98μW mm-2)和脈沖持續(xù)時(shí)間(10、50、100和200ms)不斷增加的情況下測(cè)量的。脈沖照明(943.98μW mm-2)產(chǎn)生的PC(圖4b)具有典型的電容曲線(xiàn)，在大約10ms內(nèi)達(dá)到峰值，然后以指數(shù)衰減的方式下降，而PV(圖4c)則達(dá)到穩(wěn)態(tài)值并保持恒定。這與電極/電解質(zhì)界面的電容性質(zhì)是一致的。此外，產(chǎn)生的PV(約180mV)在很大程度上低于鈦(或氧化鈦)的氧化還原電位，從而確保在界面上不會(huì)發(fā)生不可逆反應(yīng)。PC密度隨輻照度的增加而增加，943.98μW mm-2時(shí)的平均峰值為135.51±26.74μA cm-2(10ms)(圖4d，f)。根據(jù)該領(lǐng)域的文獻(xiàn)，這些電流值應(yīng)能誘發(fā)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(RGC)的視網(wǎng)膜外刺激。PC密度曲線(xiàn)的斜率隨著輻照度的增加而減小，預(yù)計(jì)當(dāng)輻照度高于1-2mW mm-2時(shí)，反應(yīng)會(huì)達(dá)到飽和。我們還測(cè)量了在生理溶液中浸泡48小時(shí)(暗處保存)后的PC密度(10ms，943.98μW mm-2)。對(duì)于10、50、100和200ms脈沖，測(cè)量前后的平均比率分別為94.44±12.28%、95.11±13.07%、93.36±13.26%、94.99±12.48%，未發(fā)現(xiàn)顯著差異。

圖5、高頻訓(xùn)練刺激。

當(dāng)10ms脈沖(943.98μW mm-2)照射時(shí)，鈦基光伏電極在100ms后完全放電(97.7%)(圖5a)；而在25ms和50ms后分別放電65.4%和89.9%。這表明POLYRETINA可以1-20Hz范圍內(nèi)工作，而無(wú)需外部分流電阻。為了描述重復(fù)刺激的刺激效率，我們測(cè)量了在1Hz(10ms，943.98μW mm-2)頻率下1000次刺激的PC值(圖5b)。平均穩(wěn)態(tài)響應(yīng)(最后20個(gè)脈沖/首次響應(yīng)的平均值)幾乎沒(méi)有變化(96.99±1.51%)。在較高的刺激頻率下，如10Hz，電極在兩次脈沖之間完全放電(圖5c)，因此PC密度在很大程度上不會(huì)受到重復(fù)刺激的影響；在10Hz的一連串10個(gè)脈沖中，最后/第一次反應(yīng)的平均比率為92.20±1.52%(圖5e)。此外，在20Hz的20個(gè)脈沖中，最后/最先反應(yīng)的平均比率為90.21±4.96%(圖5f)。鑒于可以以20Hz的頻率進(jìn)行刺激，我們對(duì)鈦基光電電極進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試(圖5g)。在32萬(wàn)次刺激后，穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)(最后1000次脈沖/首次響應(yīng)的平均值)僅受到輕微影響(88.6%)。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明，POLYRETINA的鈦基光伏電極在沒(méi)有額外分流電阻的情況下可以快速完全放電，在20Hz的刺激速率下，POLYRETINA假體對(duì)刺激的響應(yīng)比較穩(wěn)定。