Design and validation of a foldable and photovoltaic wide-field epiretinal prosthesis  

可折疊光伏廣角視網膜假體的設計與驗證  

來源：Nature Communications, Volume 9, Article number 992 (2018)《自然通訊》，第9卷，文章編號992 (2018年)

 

摘要  

摘要闡述了研究設計了一種名為POLYRETINA的可折疊光伏寬場視網膜假體，用于治療外層視網膜營養不良導致的失明。該假體在46.3度視覺角內嵌入2215個刺激像素，其中967個位于中央5mm區域，可折疊通過小鞏膜切口植入，并具有半球形以匹配眼曲率。研究證明其無細胞毒性，符合光學和熱安全標準，加速老化顯示壽命至少2年。POLYRETINA在同時改善視力和視野方面取得了顯著進展，解決了當前領域的挑戰。

 

研究目的  

研究目的是設計和驗證一種可折疊、光伏的寬場視網膜假體，以同時提高視覺 acuity 和視覺 field，通過無線刺激視網膜神經節細胞來對抗失明。具體目標包括實現高像素密度、可植入性、生物相容性和長期穩定性。

 

研究思路  

研究思路包括使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為基底材料，設計半球形假體結構，集成光伏像素（基于PEDOT:PSS和P3HT:PCBM），通過凱爾文探針力顯微鏡（KPFM）優化像素性能，測量光電流和光電壓，進行離體視網膜刺激實驗，驗證機械折疊性、手術植入可行性，以及評估細胞毒性、熱安全和光學安全。研究還采用加速老化測試壽命，并通過有限元分析（FEA）模擬熱效應和空間選擇性。

 

測量的數據及研究意義  

1 表面電位變化數據：來自圖3，通過KPFM測量，顯示光照下鋁陰極的表面電位變化約0.21V，而鈦陰極略低。研究意義是優化光伏像素的材料組合，確保高效電荷生成，為假體刺激效率提供基礎。  

 

2 光電流和光電壓數據：來自圖4，顯示光電流密度峰值達135.51 μA/cm2（10ms脈沖，943.98 μW/mm2 irradiance），光電壓約180mV。研究意義是驗證假體在生理條件下能產生足夠的電流刺激視網膜神經節細胞，支持無線功能。  

 

3 高頻刺激響應數據：來自圖5，顯示在20Hz刺激下，光電流響應穩定，320,000次刺激后仍保持88.6%效率。研究意義是證明假體能承受長期重復使用，適合實際應用。  

 

4 離體視網膜刺激數據：來自圖6，顯示在離體小鼠視網膜中，短潛伏期（SL） spikes在 irradiance 高于1.08 mW/mm2時飽和，平均潛伏期4.12ms。研究意義是證實假體能有效激活視網膜神經節細胞，且響應可控。  

 

5 空間選擇性數據：來自圖7，通過電壓傳播測量和FEA模擬，顯示激活區域寬度約100μm。研究意義是確保像素間最小串擾，提高空間分辨率。  

 

6 壽命測試數據：來自圖8，加速老化24個月后，表面電位變化無顯著差異。研究意義是證明假體具有長期穩定性，壽命至少2年。  

 

7 熱安全數據：來自圖9和圖10，顯示在最大 irradiance 下，溫度升高僅1.25°C，低于安全閾值。研究意義是確認假體符合熱安全標準，不會造成組織損傷。

 

 

 

結論  

1 POLYRETINA是一種創新的可折疊光伏視網膜假體，能同時提供寬視野（46.3度）和高像素密度（2215像素），顯著優于現有假體。  

2 假體通過無線光伏刺激有效激活視網膜神經節細胞，離體實驗顯示響應可靠，且具有優異的生物相容性和安全性。  

3 加速老化和熱測試證明假體壽命至少2年，滿足臨床植入要求，為治療視網膜退化性疾病提供了有前景的解決方案。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense電極（如pH微電極）測量pH變化數據（來自Supplementary Fig. 2），研究意義在于驗證假體在操作過程中不會引起有害的化學變化。具體地，在1小時脈沖光照下，pH變化僅0.002單位，表明鈦電極界面穩定，沒有產生有害的電解反應，從而確保假體的生物相容性和安全性。這種測量提供了關鍵證據，證明假體在生理環境中不會破壞酸堿平衡，減少了潛在的組織損傷風險，支持其臨床應用的可行性。