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，負責收集光學圖像。數(shù)以百萬計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量，研究人員正將想方設法發(fā)展可植入式的微電子視網(wǎng)膜假體。這些設備慣常使用半導體將光轉換成電流信號，然后將信號傳輸給視神經(jīng)。美國能源部的人造視網(wǎng)膜計劃中，光感器件由電池供電，植入的電子設備與采集光學圖像的相機之間采用無線通信。
最近Advanced Materials（28, 10684, 2016）報道了化學化工學院高分子系和生命化學協(xié)同創(chuàng)新中心的一項研究。來自沈群東教授的研究組設計了一種簡潔、智能的器件，可以用作人造視網(wǎng)膜的一個關鍵組分。人的視網(wǎng)膜中含有多層神經(jīng)元細胞，由突觸相互關聯(lián)。其中光感細胞含有響應不同顏色可見光的視覺色素分子?？梢姽庹T導細胞膜的電極化，并將信號傳遞給其他神經(jīng)細胞，再經(jīng)過視神經(jīng)纖維傳遞給大腦。鑒于此，這種新設計的核心策略是將光轉換成電信號后直接轉導給神經(jīng)元。該仿生裝置由兩類功能高分子材料復合而成。一種材料是光敏性高分子，在彩色光的照明之下分子的構象發(fā)生轉換，并產生機械形變。另一種材料是鐵電高分子，它具有壓電效應，能將復合材料的形變轉換成電信號的變化。入射光經(jīng)這種途徑轉變成電勢變化，再傳遞給與人造視網(wǎng)膜緊貼的神經(jīng)細胞。受激的神經(jīng)細胞可進而與環(huán)境或其它細胞交換信使分子。
整個光電轉換過程在50毫秒的時間內完成，與視網(wǎng)膜中的光受體細胞刺激-響應的速度相當。輸出的電信號取決于光波長并正比于光刺激的強度。該器件可以抓取動態(tài)圖像。結合納米加工技術，光學檢測單元可以縮微化，器件特征尺寸僅為單個光感細胞的五分之一。這些密堆積的光傳感單元構成的陣列可用于分辨圖形的細節(jié)特征。單個視敏感單元的光響應在入射光的方向最強，整個陣列具有構造人造復眼的潛力。該研究提供了人造視網(wǎng)膜的一種嶄新設計思路，可獲取低成本高效應、生物相容、神經(jīng)元可讀取、可植入的器件，其突出特點是無需電池驅動，能夠實現(xiàn)自供能。
這項工作是和高分子系諶東中教授、現(xiàn)代工程與應用科學學院葛海雄教授密切合作完成，第一作者為碩士研究生陳昕。研究得到了國家自然科學基金、長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃的資助。
沈群東教授研究組近年來專注于鐵電高分子柔性電子器件研究，包括非侵入性動態(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)存儲器（Adv. Funct. Mater. 23, 3124，2013）等。
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