视网膜植入物已经可以使因患有视网膜退行性眼病(如黄斑变性或色素性视网膜炎导致视力减退)的患者视觉得到恢复。现在新研究提出一种方法,即将活体神经细胞集合于柔软的有机聚合半导体上,用来制造更高品质,更具有生物兼容性的视网膜植入物。
视网膜植入物修复视觉是通过传递信号到植入到患者视网膜后的电极上实现的,信号来自于一副装有摄像机的眼镜。 但是传统由硅或铂成分制造的电极,不仅会使产生的图像质量不佳,还会让视网膜留下疤痕。
有机的高分子半导体比硅更柔软更能被适应,还有有益的机械和电子特性,因此它成为生物医学应用的理想材料。实际上,它们已经用于一些医疗用具上,如葡萄糖传感器和记录大脑内神经活动的电极。意大利理工学院(Italian Institute of Technology)的研究者现已展示了如何应用有机聚合物来为视网膜植入物制造更好的电极。
聚合神经元界面的首要应用之一可能是在光遗传学方面。古列尔莫·兰扎尼(Guglielmo Lanzani)是意大利理工学院领导这一研究的教授,该研究已在1月18日发行的《自然——通讯分册》(Nature Communications)杂志中发表。兰扎尼说:“我们的短期目标是建立一个[有机的]半导体和一个神经元之间的联系。”
现在最先进的视网膜植入物,叫做阿古斯II(Argus II),由第二视力公司(Second Sight)制造,现正处于临床试验中。来自摄像机的信号触发芯片上60个电极,再依次刺激视网膜上的神经元,使大脑中形成一幅图像。但是阿古斯II产生的图像是模糊的,使用者只能了解大致轮廓和阅读很大的字母。杰拉尔德·沙迪尔(Gerald Chader)是多黑尼眼科研究所(Doheny Vision Research Center)成员,也是南加州大学(University of Southern California)生物电子学研究实验室的共同研究者,他没有参与这项新研究。他说:“[铂电极]非常薄,它们非常容易弯曲,但是它们不同于这种有趣的、柔软的基底。”
兰扎尼实验室将神经细胞直接种植在培养皿中的聚合物上。光线照亮在聚合物上激发光电二极管,光电二极管再刺激个体神经元通过健康眼中的光敏的视细胞引起神经元激发。(相对的,阿古斯II一次能刺激多达成百上千的神经元。)经过进一步发展,兰扎尼方法可以让视网膜植入物产生更加清晰的视觉。
研究者将老鼠胚胎的海马神经元种植在由铟氧化锌包被的光电二极管和有光电传导性的有机聚合物组成的基底上,其他有基层则起到粘合剂的作用。大鼠神经元和二极管浸泡在一种离子液体中。当二极管经光线启动时,它所引起的离子溶液中电荷不平均分布可使神经元激发。
接下来,兰扎尼计划利用印刷技术将装置上光电二极管的位置精确定位,更加确切地模仿感光细胞在人的视网膜分布的几何学模式。他说,光电二极管可以是色敏性的,从而产生彩色图像,而不仅仅是黑色和白色。
詹姆斯·韦兰(James Weiland),另一位南加州大学的视网膜修复手术专家,他称该装置是一个“好的开端,值得进一步研究。”他指出,基底的适应性意味着该材料更适宜用在视网膜上。
视网膜植入:有机聚合物比硅更好
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