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南大团队设计出基于仿生原理的铁电高分子人造视网膜
金陵 2017-01-05
导语

最近,南京大学沈群东教授研究组设计了一种简洁、智能的器件,可以用作人造视网膜的一个关键组分。这种新设计的核心策略是将光转换成电信号后直接转导给神经元。


视网膜是眼球后方一层薄薄的组织,负责收集光学图像。数以百万计的人患有视觉障碍或完全失明,老年黄斑变性则是最常见的视网膜疾病。为了提升这些患者的生活质量,研究人员正将想方设法发展可植入式的微电子视网膜假体。这些设备惯常使用半导体将光转换成电流信号,然后将信号传输给视神经。美国能源部的人造视网膜计划中,光感器件由电池供电,植入的电子设备与采集光学图像的相机之间采用无线通信。

最近,南京大学化学化工学院高分子系和生命化学协同创新中心沈群东教授研究组设计了一种简洁、智能的器件,可以用作人造视网膜的一个关键组分。人的视网膜中含有多层神经元细胞,由突触相互关联。其中光感细胞含有响应不同颜色可见光的视觉色素分子。可见光诱导细胞膜的电极化,并将信号传递给其他神经细胞,再经过视神经纤维传递给大脑。鉴于此,这种新设计的核心策略是将光转换成电信号后直接转导给神经元。该仿生装置由两类功能高分子材料复合而成。一种材料是光敏性高分子,在彩色光的照明之下分子的构象发生转换,并产生机械形变。另一种材料是铁电高分子,它具有压电效应,能将复合材料的形变转换成电信号的变化。入射光经这种途径转变成电势变化,再传递给与人造视网膜紧贴的神经细胞。受激的神经细胞可进而与环境或其它细胞交换信使分子。相关研究成果发表在Advanced Materials国际期刊上。

整个光电转换过程在50毫秒的时间内完成,与视网膜中的光受体细胞刺激-响应的速度相当。输出的电信号取决于光波长并正比于光刺激的强度。该器件可以抓取动态图像。结合纳米加工技术,光学检测单元可以缩微化,器件特征尺寸仅为单个光感细胞的五分之一。这些密堆积的光传感单元构成的阵列可用于分辨图形的细节特征。单个视敏感单元的光响应在入射光的方向最强,整个阵列具有构造人造复眼的潜力。该研究提供了人造视网膜的一种崭新设计思路,可获取低成本高效应、生物相容、神经元可读取、可植入的器件,其突出特点是无需电池驱动,能够实现自供能。

这项工作是和高分子系谌东中教授、现代工程与应用科学学院葛海雄教授密切合作完成,第一作者为硕士研究生陈昕。研究得到了国家自然科学基金、长江学者和创新团队发展计划的资助。

沈群东教授研究组近年来专注于铁电高分子柔性电子器件研究,包括非侵入性动态诊断心血管系统的传感器和超高密度数据存储器等。

文章链接:

Xin Chen, et al, "Bioinspired Ferroelectric Polymer Arrays as Photodetectors with Signal Transmissible to Neuron Cells" Advanced Materials, Volume 28, Issue 48, December 28, 2016, Pages 10684–10691

沈群东教授简介:

南京大学化学化工学院高分子系教授,博导,Email:qdshen@nju.edu.cn

课题组主页:点击进入

研究方向:人造视网膜,柔性传感器,超高密度数据存储,生物细胞和活体荧光成像,光激活乏氧响应型药物递送系统。

(本文信息来源:南京大学新闻网;)

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作者 金陵

本科生

北京大学

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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