结果

设计和制造。

图1、可折叠光伏宽视场视网膜假体。

POLYRETINA是一种新型的可折叠光电宽视场视网膜假体，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底材料，因为它具有透明性、弹性、低杨氏模量和高应变失效率。此外，PDMS还是医用级弹性体，已在医疗设备中得到应用。该装置包括一个PDMS-光伏界面(图1a、c)，嵌入2215个刺激像素(直径分别为80微米和130微米)，分布在12.7毫米的有效区域内。每个像素由PEDOT：PSS底部阳极、P3HT：PCBM(也称为Blend)半导体层和钛(Ti)顶部阴极组成。另一个PDMS层封装了假体，避免了有机材料的分层和降解，延长了假体的使用寿命。封装层上开有直径分别为67微米和120微米的开口，以露出阴极(图1f)。钛是一种机械和电化学性能稳定的金属，广泛应用于植入式装置，对光伏机制具有适当的功函数，而且是一种电容性电荷注入材料(也是由于在表面形成了一层薄薄的氧化钛)。对于单相脉冲(如这种光伏方法)来说，后者是可取的，因为在刺激脉冲期间不会产生或消耗化学物质，从而避免了不必要的组织反应。在这种情况下，电极/电解质界面可被模拟为纯电容器，不会发生从金属到溶液的电子转移。为了验证这一假设，我们在脉冲光照(20Hz，10ms，3.4mW mm-2；N=3个装置)1小时后，用微电极测量位于PDMS-光电界面钛电极上方的pH值。辐照度被设定为高于假肢应用所允许的最大值(见光学和热安全)。在照明过程中，检测到pH值发生了约0.002个pH单位的微小偏移，这可能是假体引起的局部温度升高造成的记录伪影(见光学和热安全)。局部加热可能会降低溶液的电阻率，从而减小pH值微电极与局部基准之间的电压差。

图2、模拟手术植入。

POLYRETINA的半球形(图1b、d)是通过将PDMS光电界面粘合在圆顶形PDMS支座(图1a)上获得的，圆顶形PDMS支座的曲率半径为12毫米，相当于标准人眼的曲率半径。粘合导致PDMS光伏界面径向伸长约3%(直径)，这被认为是确定覆盖视网膜表面的依据。四个带孔的固定翼用于固定假体(图1d)。POLYRETINA的折叠、插入和视网膜表面的覆盖已在人眼塑料模型的模拟手术中进行了评估(图2a)。假体可在植入前折叠(图1e、2a，左上角)，通过6.5毫米的孔插入(图2a，右上角)，在后房内释放(图1g、2b，右下角和左下角)，并以视网膜外结构连接(图2b)。同样的手术方法也在去核猪眼中得到了验证(图2c)。

光伏像素优化。

图3、光伏像素的优化。

首先，我们使用开尔文探针力显微镜(KPFM)评估了不同制造条件下阴极在照明时产生的表面电位变化(图3a、b)。为了评估底部阳极的作用，我们在玻璃基底上制作了光伏界面，包括由铟锡氧化物(ITO)制成的底部阳极、PEDOT：PSS注入层、P3HT：PCBM半导体层和铝(Al)顶部阴极。我们最初使用铝，因为它是有机光伏技术中最常见的阴极材料之一。对几个装置进行的KPFM测量(图3c)表明，与仅使用P3HT：PCBM相比，铝阴极在照明(白色LED，从顶部照射，0.4mW mm-2)时的表面电势变化要高出约15倍(图3d)。当存在铝时，没有任何阳极(ITO或ITO/PEDOT：PSS)会显著降低照明时的表面电位变化(图3d，左侧)。如果存在PEDOT：PSS注入层，则有无ITO阳极均无明显差异。在没有铝阴极的情况下，不同底部阳极的结构也不会产生明显差异(图3d，右图)。使用铝阴极、ITO/PEDOT：PSS或仅使用PEDOT：PSS时，表面电位变化最大：PSS阳极或只有PEDOT：PSS阳极时，表面电势变化最大。因此，为了简化制造过程，我们将PEDOT：PSS单独用作底层。我们还验证了当在PDMS基底上而不是裸玻璃上构建界面时，表面电位变化没有发生变化(图3e)，阴极铝的直径分别为100和150µm；各组之间没有发现统计差异。当钛取代铝时，表面电位略有降低。

图4、光电流和光电压的特征。

KPFM测量是在空气中以非接触模式进行的；因此，测量到的表面电位变化可能与电极-电解质界面上发生的双层电容充电所产生的电位略有不同，如植入视网膜假体的情况。因此，我们测量了在电解质溶液存在的情况下，光照时产生的光电流(PC)和光电压(PV)。我们制作了嵌入六个电极的芯片，每个电极都与一个接触垫相连，用于测量相对于浸入溶液中的银/氯化银参比电极的信号(图4a)。PC和PV都是在光照(565纳米)强度(12.75、111.11、225.00、430.56、616.67、785.65和943.98µW mm-2)和脉冲持续时间(10、50、100和200ms)不断增加的情况下测量的。脉冲照明(943.98µW mm-2)产生的PC(图4b)具有典型的电容曲线，在大约10ms内达到峰值，然后以指数衰减的方式下降，而PV(图4c)则达到稳态值并保持恒定。这与电极/电解质界面的电容性质是一致的。此外，产生的PV(约180mV)在很大程度上低于钛(或氧化钛)的氧化还原电位，从而确保在界面上不会发生不可逆反应。PC密度随辐照度的增加而增加，943.98µW mm-2时的平均峰值为135.51±26.74µA cm-2(10ms)(图4d，f)。根据该领域的文献，这些电流值应能诱发视网膜神经节细胞(RGC)的视网膜外刺激。PC密度曲线的斜率随着辐照度的增加而减小，预计当辐照度高于1-2mW mm-2时，反应会达到饱和。我们还测量了在生理溶液中浸泡48小时(暗处保存)后的PC密度(10ms，943.98µW mm-2)。对于10、50、100和200ms脉冲，测量前后的平均比率分别为94.44±12.28%、95.11±13.07%、93.36±13.26%、94.99±12.48%，未发现显著差异。

图5、高频训练刺激。

当10ms脉冲(943.98µW mm-2)照射时，钛基光伏电极在100ms后完全放电(97.7%)(图5a)；而在25ms和50ms后分别放电65.4%和89.9%。这表明POLYRETINA可以1-20Hz范围内工作，而无需外部分流电阻。为了描述重复刺激的刺激效率，我们测量了在1Hz(10ms，943.98µW mm-2)频率下1000次刺激的PC值(图5b)。平均稳态响应(最后20个脉冲/首次响应的平均值)几乎没有变化(96.99±1.51%)。在较高的刺激频率下，如10Hz，电极在两次脉冲之间完全放电(图5c)，因此PC密度在很大程度上不会受到重复刺激的影响；在10Hz的一连串10个脉冲中，最后/第一次反应的平均比率为92.20±1.52%(图5e)。此外，在20Hz的20个脉冲中，最后/最先反应的平均比率为90.21±4.96%(图5f)。鉴于可以以20Hz的频率进行刺激，我们对钛基光电电极进行了长时间测试(图5g)。在32万次刺激后，稳定的稳态响应(最后1000次脉冲/首次响应的平均值)仅受到轻微影响(88.6%)。这些数据说明，POLYRETINA的钛基光伏电极在没有额外分流电阻的情况下可以快速完全放电，在20Hz的刺激速率下，POLYRETINA假体对刺激的响应比较稳定。