复旦大学，重磅Science，有望让盲人恢复视力！

摘要：自然界中，有些动物，例如蛇，能够通过感知红外辐射和可见光谱来更准确地评估周围环境。人眼缺乏对红外光谱敏感的光感受器，波长较长、能量较低的红外光无法触发视觉信号。对于患有严重眼疾（例如黄斑变性）的患者，红外视觉原则上可以在弱光和黑暗环境中辅助视力。开发使用包括红

自然界中，有些动物，例如蛇，能够通过感知红外辐射和可见光谱来更准确地评估周围环境。人眼缺乏对红外光谱敏感的光感受器，波长较长、能量较低的红外光无法触发视觉信号。对于患有严重眼疾（例如黄斑变性）的患者，红外视觉原则上可以在弱光和黑暗环境中辅助视力。开发使用包括红外在内的更宽光谱的技术可以带来显著的益处。

鉴于此，复旦大学周鹏教授、张嘉漪研究员、王水源青年研究员，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达教授合作利用碲纳米线网络（TeNWN）制作了一个视网膜下纳米假体，该假体能够将可见光和近红外-II光谱的光转换为电信号。宽光谱覆盖是通过窄带隙、强吸收和工程不对称性的结合实现的。TeNWN植入盲鼠体内后，恢复了瞳孔反射，并使其能够在可见光和1550纳米近红外光下进行视觉提示学习。在非人类灵长类动物中，TeNWN引发了强大的视网膜神经反应，证实了其生物相容性和可行性。通过恢复失去的光敏性并将视觉范围扩展至近红外，这种纳米假体为恢复视力提供了一种有希望的方法。相关研究成果以题为“Tellurium nanowire retinal nanoprosthesis improves vision in models of blindness”发表在最新一期《science》上。

【晶格与Te的光电流计算】

碲纳米线网络（TeNWNs）利用碲的一维螺旋链晶格（六方排列，链间由范德华力结合）实现光伏效应。完美的碲由于沿螺旋链（c轴）方向具有二重旋转对称性，内在偏移电流几乎为零。在采用SnTe₂前驱体的化学气相沉积（CVD）生长过程中，取代性Sn原子和碲空位缺陷不对称地分布（Sn在纳米线尖端富集），打破了反演对称性，并在费米能级附近引入局域态。模拟了两种零偏压条件下的器件模型：模型I（Te电极，无缺陷）在1.45 eV照射下产生约1 mA/cm²的光电流。模型II（Au–Te电极，存在Sn或Te空位缺陷）在可见光至近红外II（VIS–NIRII）波段展现宽带光电流，在1.45 eV时达到约288 mA/cm²的峰值。

形成能计算显示，Sn取代比碲空位热力学上更有利，但两者都能将原本约40 mA/cm²的近红外光电流提升到约133 mA/cm²或更高。偏心缺陷位于某一电极附近时，相较于通道中点位置可显著提升光电流，与实验观测到的Sn浓度梯度一致。随着缺陷密度的增加，光电流进一步增强，凸显了内部不对称性与界面异质性协同产生强零偏压光电流的机制。

图 1 . Te的晶格和光电流计算

【实验测量的光电流（光电与电生理平台）】

在异质Au–Te接触结构下，单根碲纳米线（12 nm通道长度）在1550 nm（近红外II）照射下可在零偏压条件下产生约30 A/cm²的光电流，随激光强度线性增加。在可见光（520 nm）、近红外I（1060 nm）和近红外II（1550/2000 nm）波段，光电流与强度的线性拟合均具有R² > 0.99，证实了宽带、无偏压响应且无热效应。与一维WS₂纳米管、二维CuInP₂S₆以及多种三维铁电体/卤化物相比，TeNWNs的零偏压光电流约30 A/cm²，远高于此前报道材料。此外，TeNWNs的有效光谱范围延伸至近红外II（最高可达1550 nm），而先前的视网膜假体方案则多局限于可见光至近红外I（

在多电极阵列上，利用数字镜像装置（DMD）投射635 nm（42.5 mW/mm²）光点阵列、三角形、手写数字及“E”视标等图案，TeNWNs上的电压分布忠实重现了投射形状，展示了高保真空间图像传感能力。

图 2 . 在光电和电生理学平台下实验测量的光电流

【TeNWNs介导的盲鼠RGC电生理响应】

在rd1/rd1/cDTA小鼠（在出生后第20天已失去功能性杆锥细胞）离体视网膜实验中，将TeNWNs置于视网膜内侧，记录视网膜神经节细胞（RGC）膜电位（约采集40个细胞）。在可见光（470/570/635 nm）、近红外I（940 nm）和近红外II（1550 nm）脉冲刺激下，盲鼠试样上的RGC产生了明显的放电，而对照组视网膜在635、940或1550 nm下则无响应（ rodent 对紫外 [~358 nm]、蓝光 [400–500 nm] 和绿光 [509–510 nm] 敏感）。

50% 激活阈值（10 次试验成功率达50%）分别为：1550 nm：18.98 mW/mm²（0.18 s 脉冲）；940 nm：45.74 mW/mm²；635 nm：83.43 mW/mm²；570 nm：276.8 mW/mm²；470 nm：506.23 mW/mm²。

在阈值强度下，RGC反应潜伏期约200–600 ms（强度越高潜伏期越短），不同波长间平均潜伏期无显著差异。RGC对高达5 Hz的闪烁频率有响应。7×7刺激网格测得的RGC感受野面积平均约135.6 deg²，与正常视网膜约163.0 deg²相当。形态学标记（ON/OFF/ON–OFF分类）表明，所有类型的RGC在TeNWNs光刺激下均表现出延迟的ON型响应。由此可见，TeNWNs光生电流能够在可见光至近红外II范围内有效激活盲鼠内侧视网膜电路。

图 3 . TeNWN 介导的盲鼠视网膜 RGC 的电生理反应

【在TeNWN植入盲鼠体内恢复与增强视功能】

将面积小于1 mm²的TeNWN阵列植入4–5个月大盲鼠的视网膜下层（INL下方）。术后通过眼底照相、荧光素眼底血管造影（FFA）及光学相干断层扫描（OCT）确认植入位置正确且视网膜复位良好，术后30天（小鼠编号19）及112天均未见出血或微血管改变。B型OCT切片显示TeNWN与INL贴合良好。（1）闪光视觉诱发电位（fVEP）：植入盲鼠（n=4）在940 nm脉冲刺激下产生可重复的皮层电位，但首个负波（N1）潜伏期延长、峰-峰振幅减小，表明光信号虽能传至视觉皮层，但因植入面积有限、主要激活ON型RGC及TeNWNs响应较慢而存在时序与幅度上的差异。稳态闪烁VEP（1–12 Hz）显示，植入盲鼠与正常鼠在~4 Hz时同步性最佳，表明动态刺激信号可正常传输。（2）瞳孔光反射（PLR）：在1550 nm（836 µW/mm²，远低于IEC 60825-1 约4.5 mW/mm²安全限值）下，植入盲鼠表现出明显双侧瞳孔收缩；正常小鼠仅在白光刺激下收缩。（3）水奖赏舔舐任务：植入鼠（n=12）在940 nm下正确率达约66.7%（盲鼠对照约11.7%），第1天约40%，至第7天提升至85.8%；正常小鼠在NIR下表现接近盲鼠对照。（4）光定位任务：植入盲鼠在白光下正确率67.5%（正常78.3%、盲鼠26.7%），在940 nm下71.7%（正常23.3%、盲鼠25.0%）。（5）图形识别（三角形 vs 圆形）：植入盲鼠在635 nm和940 nm下分别达62.3%和57.8%正确率（均高于50%），正常小鼠在可见光下表现优异，但在近红外下接近盲鼠对照水平。

由此可见，TeNWN植入不仅实现了基础光感检测，还可在可见光与近红外下支持更高阶的空间识别能力，其表现接近正常小鼠。

图 4 . 恢复和增强 TeNWN 植入盲鼠的视觉功能

【TeNWN植入猕猴（Macaca fascicularis）的眼科评估及闪光电图（fEEP）】

在健康猕猴视网膜中，于机体中央偏离视中心约15°（黄斑偏心度）位置，将2 mm×2 mm、100 µm厚云母基底上的TeNWN假体植入视网膜下。术后第7、28、67、90、112天，通过100°眼底照相、30°近红外反射成像、OCT、荧光素造影（AF）及FFA等手段评估：植入物与视网膜色素上皮/INL持续贴合，无脱离、出血或微血管异常；晶状体透明度保持正常；OCT自动分层（GCL、IPL、INL、OPL、ONL）显示植入区域周围各象限厚度变化均在基线±5 µm以内（第28天的轻微厚度变化推测为成像伪影）。第112天AF及多时相FFA（术后2、5、10、16分钟）均显示植入区域血管完整，无渗漏或新生血管形成。在暗适应状态下于19天和90天记录闪光电图(fEEP)：在500 ms、60.48 µW/mm²的940 nm脉冲下，植入眼出现明显a波与b波，而对侧未植入眼仅为平坦基线；术后90天时：植入眼在940 nm下的a波振幅15.2 µV vs. 对侧4.8 µV（P TeNWN植入在灵长类视网膜中可安全地增强近红外I敏感度，同时不影响天然可见光功能。

图 5 . TeNWN 植入的束状猕猴的眼科评估和 fEEP 记录

【总结】

TeNWNs作为一种零偏压光伏亚视网膜假体，可同时恢复可见光视觉并拓展至近红外I/II（至1550 nm）。通过Sn/Te缺陷诱导的晶格不对称性和Au–Te异质界面工程，实现了巨量零偏压光电流（约30 A/cm²）覆盖可见光至近红外II波段。体外与离体电生理研究证实了其宽带、线性响应与高空间保真度。在rd1/rd1盲鼠中，亚视网膜植入TeNWNs诱发RGC放电（1550 nm下阈值低至18.98 mW/mm²），恢复皮层fVEP，并在可见光与近红外下支持瞳孔反射、水奖励和图形识别等行为。灵长类动物研究显示，TeNWN植入在112天内与视网膜稳定整合、增强940 nm fEEP信号且无可见光功能损失。综上，TeNWNs亚视网膜假体为临床上既能重建失去的视功能，又能增强红外视觉的全新解决方案奠定了坚实基础。