具有光电耦合性能的铁电高分子复合材料在仿生视网膜中的应用

In the future, electronic devices can input the real-time information into our sensory organs. It is a great challenge for biomedicine and artificial intelligence to build up artificial organs that correspond precisely to the nerve systems. Our vision system provides about 80% external information. Retina repair or replacement technology will benefit millions of people with retinal disease. Up-to-date artificial retina is complicated integration system with poor neural compatibility, and extremely low optical resolution. Natural visual process is based on direct energy coupling between photo-sensitive molecules and electric actuators in retinal photoreceptor cells, thus has high efficiency of information transmission. This project is intended to develop flexible, implantable, and bionic retina. It can replace the damaged photoreceptor cell layer and connect directly with optical nerve cells, and transduce rich visual optical information into electrical signals that can be identified by neurons. The bionic retina can achieve the visual information transduction into the neural network. It realizes a series of visual functions, including light intensity identification, color recognition, fast response, etc., even super vision features such as infrared and hyper-resolution imaging. The key issue of the bionic retina is the energy coupling between the ferroelectric polymer and the photosensitive molecules, which converts the incident light into an acceptable electrical signal (polarization or voltage) of the optic nerve cells. The main contents of this project include the preparation of biomimetic retinal materials, the signal transduction to neuron cells, the ultra-high optical resolution bionic retina and its animal implantation and the evaluation of visual restoration.

未来电子设备会将实时信息输入我们的感官，构建与神经精确对应的人造感官是生物医药和人工智能领域的重大挑战。人视觉系统提供约80%外部信息，视网膜修复或替代技术将惠及上千万视网膜疾病患者。当代人工视网膜复杂集成系统的神经兼容性差、光学分辨率极低。天然视觉过程是视网膜上的感光分子和电极化执行机构间的直接能量耦合，信息传输效率高。本项目拟发展柔性、植入式仿生视网膜替代受损的感光细胞层，与视神经细胞直接连接，将丰富的光学信息转导成可被神经细胞识别的电信号，完成视觉信息传入神经网络的过程，实现一系列视觉功能：明暗分辨、色彩识别、快速响应等，甚至实现红外和超高分辨成像等超视觉功能。仿生视网膜的核心是铁电高分子和感光分子间的能量耦合，将入射光转换为视神经细胞可接受的电信号（极化或电压）。本项目主要研究内容包括仿生视网膜材料制备及其对神经元细胞的信号传递、超高光学分辨率仿生视网膜及其动物植入与视觉恢复评估。

高分辨的人造电子系统与天然神经系统的精确信息交互是现代化学、材料、电子、生物医学、人工智能等领域面临的重大挑战。视网膜内含多层神经细胞网络，是我们的视觉系统中收集和初步编码外部丰富光学信息的最重要生物组织。视网膜中上亿个感光细胞捕获光子，将其转变为电信号再传输到大脑进行成像。视网膜部分或全部丧失光子捕捉和光电转换功能将导致视觉障碍甚至失明。构建人造视网膜修复或替代受损天然视网膜中最关键的光感受器，将惠及全球上千万视网膜疾病患者。利用现代工程学方法在视网膜上部或下部植入人造视觉电子器件，通过产生的电信号刺激视网膜内仍有部分功能的神经细胞及其联接网络，产生神经冲动，通过视神经传入大脑视觉中枢，将帮助失明患者从黑暗步入光明。人造视网膜技术包涵感光和信息传递系统，其性能的不断提高将帮助视觉障碍者获得丰富的视觉体验。.本项目围绕如何构建人造视网膜将色彩斑斓的外部光学信息直接传递给我们视觉神经系统这个关键科学问题，开展跨学科前沿研究。我们模拟天然视觉系统中感光细胞的光-电能量耦合的过程，设计了柔性、植入式仿生视网膜替代受损的感光细胞层；采用多种功能复合材料将光学信息转导为电信号，然后传递给与之密切接触的神经细胞，实现高效率的信息传输。我们研究了感光材料的能量耦合机制，运用微加工技术制备了单个阵点尺寸小于感光细胞的光感受器阵列，实现对单个神经细胞的精确信号输出；研究了仿生视网膜对神经细胞的信号传递，发现其能转导光信号并调控神经细胞的活动，实现瞬时的信息交流；发展了响应可见光或近红光的人造视网膜，植入盲鼠、大白兔、恒河猴的眼部，视网膜电图和视觉皮层诱发电位测试表明人造视网膜接受光照后的电刺激信号经视神经传导到大脑皮层，盲鼠表现出瞳孔收缩、避光及在较短时间内发现平台的能力；针对人造视网膜与天然神经系统的信号传递，探索了神经信号传导和精准刺激的能量转换材料。