Імпланти з телуриевих нанодротів відновлюють зір та сприйняття інфрачервоного світла
Людське Зір та Дегенерація Сітківки
Зір людини залежить від двох типів фоторецепторних клітин у сітківці — паличок і колбочок, які перетворюють фотони в діапазоні 400-700 нанометрів на електричні сигнали. Ці сигнали проходять через густу мережу біполярних і гангліозних клітин до зорового нерва і далі до зорової кори. Дегенерація паличок і колбочок, спричинена пігментним ретинітом, віковою макулярною дегенерацією чи спадковими захворюваннями, є основною причиною незворотної сліпоти у світі.
Зір на Чипі: Від Електродних Мереж до Фотогальванічної Сітки
Протези сітківки першого покоління, такі як система Argus II, використовували мікроелектродні масиви, які керувалися зовнішньою камерою. Вони вимагали носимого джерела живлення, обробки зображень у реальному часі та точної стимуляції електродів. Хоча вони відновлювали елементарне сприйняття світла, їх просторове розділення обмежувалося 60 електродами, а хірургічна імплантація вимагала складних процедур вітректомії та закріплення сітківки. Високий рівень відмов та виходу з ринку підкреслив необхідність у самозабезпеченому, високощільному інтерфейсі.
Матеріалознавство: Нанопровідники Телурію для Фотогальванічної Перетворення
Дослідницька група університету Фудан звернулася до телурію, халькогену з вузьким непрямим забором близько 0,35 електронвольт. Нанопровідники телурію діаметром 30-80 нанометрів були вплетені в гнучку сітку, товщина якої становила лише 5 мікрометрів. У лабораторних випробуваннях сітка показала пікову фотоелектричну чутливість 300 міліампер на ват при 800 нанометрах і широкосмугову квантову ефективність 12 відсотків у діапазоні 400-1000 нанометрів, охоплюючи видиме та близьке інфрачервоне світло.
Випробування In Vivo на Моделях Гризунів та Приматів
Група імплантувала сітки з телурію площею 1 квадратний міліметр у підсітківкову кишеню між фоторецепторним шаром і пігментним епітелієм сітківки. Хірургічна імплантація проводилася за допомогою 25-гігової вітректомії та локалізованого відшарування сітківки. Післяопераційна оптична когерентна томографія підтвердила стабільне розташування сітки без значної гліозу.
Поведенкові Парадигми та Нейронні Вимірювання
- Рефлекс Розширення Зіниць був відновлений у генетично сліпих мишей, з амплітудами звуження в межах 80 відсотків від контрольних диких типів.
- Завдання з Водяною Нагородою використовувало парадигму Go/No-Go: імплантовані миші досягли 85 відсотків успіху у виявленні 5-мілісекундних світлових імпульсів, у порівнянні з 98 відсотками у здорових мишей та 25 відсотками у не лікуваних сліпих мишей.
- Дискримінація Форм лазерно проектованих трикутників, квадратів та кіл показала точність від 75 до 82 відсотків, демонструючи просторове розділення, що наближається до природного розміру рецептивного поля ~10 мікрометрів.
Суперлюдське Інфрачервоне Сприйняття
Оскільки телурієві сітки реагують на довжини хвиль до 1000 нанометрів, імплантовані гризуни та нелюдські примати продемонстрували надійне сприйняття інфрачервоних стимулів, які невидимі для нормальних сітківок. У інфрачервоних поведінкових випробуваннях імплантовані миші та макаки набрали понад 70 відсотків у завданнях з виявлення, тоді як контрольні групи діяли на рівні випадковості. Це перше демонстраційне вивчення інфрачервоного зору in vivo за допомогою підсітківкового протезу.
“Телурієва сітка має потенціал, але чутливість залишається нижчою, ніж у природних фоторецепторів,” зазначає Едуардо Фернандес, біоінженер з університету Барселони, який переглянув дослідження.
Технічна Реалізація та Фотогальванічна Ефективність
Ключовим елементом дизайну є фотогальванічний ефект у нанопровідниках телурію. Під освітленням 500 мікроват на квадратний міліметр сітка генерує до 50 наноампер на електродний вузол — достатньо для деполяризації сусідніх біполярних клітин. Моделювання методом скінченних елементів оптимізувало геометрію сітки для максимізації зв’язку електричного поля. Упаковка в кремнієвий діоксид покращує біосумісність і запобігає витоку іонів.
Довгострокова Біосумісність та Оцінка Безпеки
Хронічна імплантація у макак триває. Попередня гістологія після трьох місяців показала мінімальну активацію мікроглії та відсутність фіброзної упаковки. Команда Фудану відстежує товщину сітківки та функціональні електроретинограми кожні два тижні. Вони планують підтвердити стабільність роботи протягом 12 місяців перед тим, як звернутися за регуляторним схваленням для ранніх клінічних випробувань на людях.
Виклики та Потенційні Ризики
- Низька Чутливість: Чутливість телурію поступається фотопічному зору людини в 5-10 разів.
- Складність Операцій: Підсітківкова імплантація несе ризики розриву сітківки та пролиферативної вітреоретинопатії.
- Нейропластична Адаптація: Імплантовані суб’єкти потребують тижнів поведінкового навчання для інтерпретації штучних сигналів.
Майбутні Напрями та Шляхи Клінічного Перекладу
Наступні кроки включають інтеграцію електроніки підсилення на сітці для збільшення слабких фототоків, дослідження альтернативних халькогенів, таких як бісмутовий телурид, та збільшення щільності пристрою для покращення просторового розділення понад 1000 пікселів на квадратний міліметр. Спільні зусилля з офтальмологами та експертами з нейромодуляції допоможуть вдосконалити хірургічні протоколи та критерії відбору пацієнтів.
Оригінальне дослідження: Університет Фудан та інші, Science 2025, DOI 10.1126/science.ady4439