結果

設計和制造。

圖1、可折疊光伏寬視場視網膜假體。

POLYRETINA是一種新型的可折疊光電寬視場視網膜假體，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基底材料，因為它具有透明性、彈性、低楊氏模量和高應變失效率。此外，PDMS還是醫用級彈性體，已在醫療設備中得到應用。該裝置包括一個PDMS-光伏界面(圖1a、c)，嵌入2215個刺激像素(直徑分別為80微米和130微米)，分布在12.7毫米的有效區域內。每個像素由PEDOT：PSS底部陽極、P3HT：PCBM(也稱為Blend)半導體層和鈦(Ti)頂部陰極組成。另一個PDMS層封裝了假體，避免了有機材料的分層和降解，延長了假體的使用壽命。封裝層上開有直徑分別為67微米和120微米的開口，以露出陰極(圖1f)。鈦是一種機械和電化學性能穩定的金屬，廣泛應用于植入式裝置，對光伏機制具有適當的功函數，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)。對于單相脈沖(如這種光伏方法)來說，后者是可取的，因為在刺激脈沖期間不會產生或消耗化學物質，從而避免了不必要的組織反應。在這種情況下，電極/電解質界面可被模擬為純電容器，不會發生從金屬到溶液的電子轉移。為了驗證這一假設，我們在脈沖光照(20Hz，10ms，3.4mW mm-2；N=3個裝置)1小時后，用微電極測量位于PDMS-光電界面鈦電極上方的pH值。輻照度被設定為高于假肢應用所允許的最大值(見光學和熱安全)。在照明過程中，檢測到pH值發生了約0.002個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(見光學和熱安全)。局部加熱可能會降低溶液的電阻率，從而減小pH值微電極與局部基準之間的電壓差。

圖2、模擬手術植入。

POLYRETINA的半球形(圖1b、d)是通過將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，相當于標準人眼的曲率半徑。粘合導致PDMS光伏界面徑向伸長約3%(直徑)，這被認為是確定覆蓋視網膜表面的依據。四個帶孔的固定翼用于固定假體(圖1d)。POLYRETINA的折疊、插入和視網膜表面的覆蓋已在人眼塑料模型的模擬手術中進行了評估(圖2a)。假體可在植入前折疊(圖1e、2a，左上角)，通過6.5毫米的孔插入(圖2a，右上角)，在后房內釋放(圖1g、2b，右下角和左下角)，并以視網膜外結構連接(圖2b)。同樣的手術方法也在去核豬眼中得到了驗證(圖2c)。

光伏像素優化。

圖3、光伏像素的優化。

首先，我們使用開爾文探針力顯微鏡(KPFM)評估了不同制造條件下陰極在照明時產生的表面電位變化(圖3a、b)。為了評估底部陽極的作用，我們在玻璃基底上制作了光伏界面，包括由銦錫氧化物(ITO)制成的底部陽極、PEDOT：PSS注入層、P3HT：PCBM半導體層和鋁(Al)頂部陰極。我們最初使用鋁，因為它是有機光伏技術中最常見的陰極材料之一。對幾個裝置進行的KPFM測量(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)時的表面電勢變化要高出約15倍(圖3d)。當存在鋁時，沒有任何陽極(ITO或ITO/PEDOT：PSS)會顯著降低照明時的表面電位變化(圖3d，左側)。如果存在PEDOT：PSS注入層，則有無ITO陽極均無明顯差異。在沒有鋁陰極的情況下，不同底部陽極的結構也不會產生明顯差異(圖3d，右圖)。使用鋁陰極、ITO/PEDOT：PSS或僅使用PEDOT：PSS時，表面電位變化最大：PSS陽極或只有PEDOT：PSS陽極時，表面電勢變化最大。因此，為了簡化制造過程，我們將PEDOT：PSS單獨用作底層。我們還驗證了當在PDMS基底上而不是裸玻璃上構建界面時，表面電位變化沒有發生變化(圖3e)，陰極鋁的直徑分別為100和150μm；各組之間沒有發現統計差異。當鈦取代鋁時，表面電位略有降低。

圖4、光電流和光電壓的特征。

KPFM測量是在空氣中以非接觸模式進行的；因此，測量到的表面電位變化可能與電極-電解質界面上發生的雙層電容充電所產生的電位略有不同，如植入視網膜假體的情況。因此，我們測量了在電解質溶液存在的情況下，光照時產生的光電流(PC)和光電壓(PV)。我們制作了嵌入六個電極的芯片，每個電極都與一個接觸墊相連，用于測量相對于浸入溶液中的銀/氯化銀參比電極的信號(圖4a)。PC和PV都是在光照(565納米)強度(12.75、111.11、225.00、430.56、616.67、785.65和943.98μW mm-2)和脈沖持續時間(10、50、100和200ms)不斷增加的情況下測量的。脈沖照明(943.98μW mm-2)產生的PC(圖4b)具有典型的電容曲線，在大約10ms內達到峰值，然后以指數衰減的方式下降，而PV(圖4c)則達到穩態值并保持恒定。這與電極/電解質界面的電容性質是一致的。此外，產生的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發生不可逆反應。PC密度隨輻照度的增加而增加，943.98μW mm-2時的平均峰值為135.51±26.74μA cm-2(10ms)(圖4d，f)。根據該領域的文獻，這些電流值應能誘發視網膜神經節細胞(RGC)的視網膜外刺激。PC密度曲線的斜率隨著輻照度的增加而減小，預計當輻照度高于1-2mW mm-2時，反應會達到飽和。我們還測量了在生理溶液中浸泡48小時(暗處保存)后的PC密度(10ms，943.98μW mm-2)。對于10、50、100和200ms脈沖，測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%，未發現顯著差異。

圖5、高頻訓練刺激。

當10ms脈沖(943.98μW mm-2)照射時，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范圍內工作，而無需外部分流電阻。為了描述重復刺激的刺激效率，我們測量了在1Hz(10ms，943.98μW mm-2)頻率下1000次刺激的PC值(圖5b)。平均穩態響應(最后20個脈沖/首次響應的平均值)幾乎沒有變化(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受到重復刺激的影響；在10Hz的一連串10個脈沖中，最后/第一次反應的平均比率為92.20±1.52%(圖5e)。此外，在20Hz的20個脈沖中，最后/最先反應的平均比率為90.21±4.96%(圖5f)。鑒于可以以20Hz的頻率進行刺激，我們對鈦基光電電極進行了長時間測試(圖5g)。在32萬次刺激后，穩定的穩態響應(最后1000次脈沖/首次響應的平均值)僅受到輕微影響(88.6%)。這些數據說明，POLYRETINA的鈦基光伏電極在沒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假體對刺激的響應比較穩定。