摘要：在此，复旦大学周鹏教授，张嘉漪研究员，王水源青年研究员和中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员等人使用碲纳米线网络（TeNWNs）制造了一种视网膜下纳米假体，该假体能够将可见光和近红外光谱转换为电信号。通过窄带隙、强吸收和工程设计的不对称性，实现了广泛的光谱
目前的视觉恢复技术存在诸多限制，限制了其在临床环境中的应用。
在此，复旦大学周鹏教授，张嘉漪研究员，王水源青年研究员和中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员等人使用碲纳米线网络（TeNWNs）制造了一种视网膜下纳米假体，该假体能够将可见光和近红外光谱转换为电信号。通过窄带隙、强吸收和工程设计的不对称性，实现了广泛的光谱覆盖。当这种纳米假体植入失明的小鼠体内时，它不仅恢复了瞳孔反射，还在可见光和近红外1550纳米光下实现了视觉引导的学习。在非人类灵长类动物中，TeNWNs引发了强烈的视网膜神经反应，证实了其生物相容性和可行性。通过恢复失去的光敏感性并扩展到近红外光，这种纳米假体为恢复视力提供了一种有希望的方法。
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研究背景
人类无法自然地感知红外（IR）光，其视杆细胞和视锥细胞只能捕捉到可见光（VIS）范围内的高能光子（~1.6至3.1 eV）。这意味着，像红外这样的长波长、低能量的光波段无法在感光细胞中产生有效的生物电信号。换句话说，人眼对红外光没有反应。然而，红外视觉在现实世界中具有潜在的优势，比如在低光照条件下提高物体检测的准确性，以及增强对比度。因此，利用更多电磁频谱资源，包括红外波段的视觉恢复技术，可能带来显著的好处。
光电子纳米材料因其自发的光响应性，成为人工光感受器的理想选择。先前的研究表明，当上转换纳米粒子与功能光感受器结合时，可以将近红外（NIR）光转化为可见光（VIS）光(1)。此外，与温度敏感通道耦合的纳米棒能够吸收近红外光并将其转化为热能，从而激活剩余的光感受器及其下游电路。这些技术主要旨在增强正常视力；然而，对于视力正常的人来说，眼内注射纳米药物是一种侵入性的治疗方式。因此，开发一种具有宽带敏感性的纳米材料，既能恢复可见光视力，又能提高对近红外光的敏感度，可能是一个理想的选择。
视觉恢复技术，如干细胞替代、靶向遗传学和光遗传学，虽然能提供部分缓解，但面临挑战，包括对残余视网膜电路的干扰、引入基因的完整性和长期有效性以及有限的治疗效果。同样，尽管传统光电二极管视网膜假体的发展取得了显著进展，但这些假体需要冗余的眼内电源和/或电缆，以及带有集成摄像头、接收器和控制器模块的眼外护目镜，这限制了它们在实际应用中的适应性。此外，报道的光电纳米材料的波长和光热转换效率较低，而光电二极管的光伏效率则主要受到肖克利-奎瑟尔极限的限制。这种低效性意味着需要更高能量的光子来恢复光敏感性，这导致了光带宽非常窄，无法超过近红外-中红外（≤~1000 nm)范围。一个更理想的解决方案是开发一种生物相容性植入物，该植入物在可见光和红外光照射下无需外部偏置即可自发产生电信号，其功能类似于健康的光感受器，但能将光敏感性扩展到自然范围之外。
主要内容
本文们利用碲纳米线网络（TeNWNs）开发了一种视网膜下纳米假体，该假体能够实现高效的光伏转换，光电流密度最高可达30 A cm-2，并且对从可见光到近红外II波段（1550 nm）的光谱具有广泛的敏感性，且还在小鼠和非人灵长类动物的失明模型中测试了这一方法。
其中，已报道了多种合成碲纳米材料的方法，包括水热法、热蒸发法和化学或物理气相沉积法，以及通过固态和液态源形成的方法。本文基于SnTe2粉末，通过化学气相沉积法合成了碲纳米线。如图1A所示，碲的晶体结构由螺旋链组成，这些螺旋链以六角阵列排列，每个碲原子与链上的两个相邻原子共价键合，并通过范德华力与相邻链中的原子弱键合。因此，碲可以视为沿c轴方向垂直于b-c（a-c）平面的单个螺旋链堆叠阵列。SEM图像显示，Te纳米线随机分布，形成一个互连的纳米网络。图1B中间部分放大了一根纳米线，其中c轴代表纳米线的径向方向。原子力显微镜显示，纳米线的典型厚度为~150纳米，拉曼光谱证实了Te的振动模式。沿c轴截取的HAADFSTEM图像清晰地解析了预期的晶格结构，与图1A一致。
图1：碲的晶格和光电流计算。
图2：在光电和电生理平台上实验测量的光电流。
图3：失明小鼠视网膜的RGCs的TeNWN介导的电生理反应。
图4：TeNWN植入盲鼠视觉功能的恢复与增强。
图5：TeNWN植入的猕猴眼眶内压评估和fEEP记录。
结论展望
综上所述，本文通过合理设计材料分布、带隙和内置不对称性，开发了一种使用TeNWNs的视网膜纳米假体，这种假体可能能够恢复并扩展对红外光的视觉。TeNWNs易于植入，并能自发高效地将光子转化为光电流，激活视网膜细胞。此外，该设备实现了高达~30 A cm-2的极高光电流密度，以及从可见光到近红外II波长1550 nm的极宽光敏感范围。在盲鼠中进行视网膜后植入后，重新激活了休眠的视觉通路，引发了1至12 Hz闪烁频率下的皮层反应，并在可见光和红外光照射下，以临床安全的辐照度（100 μW mm-2）进行了行为辨别任务。此外，在健康的非人类灵长类动物中，TeNWN植入物不仅没有影响正常的视觉，还赋予了新的红外光敏感性。研究显示，TeNWN视网膜纳米假体可能是一种有效的方法，既能恢复视力，又能扩展对红外光的敏感度。在盲鼠和灵长类动物模型中对TeNWN进行的临床前验证，为恢复盲人的可见光和增强红外视觉提供了令人鼓舞的进展。
文献信息
Shuiyuan Wang†*, Chengyong Jiang†, Yiye Yu†, Zhenhan Zhang†, Ruge Quhe†, Ruyi Yang, Yufei Tian, Xindong Chen, Wenqiang Fan, Yinge Niu, Biao Yan, Chunhui Jiang, Yang Wang, Zhen Wang, Chunsen Liu, Weida Hu*, Jiayi Zhang*, Peng Zhou*,Tellurium nanowire retinal nanoprosthesis improves vision in models of blindness, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu2987
来源：朱老师讲VASP