CN103179928A - 人造视网膜设备 - Google Patents

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Abstract

本技术提供了基于有机物的人造视网膜设备，该人造视网膜设备包括衬底和在衬底上形成的微电极阵列。示意性的人造视网膜设备还包括在所述微电极阵列上沉积的光导性聚合物混合物。该光导性聚合物混合物被配置为响应于接收到光来产生光电信号。

Description

人造视网膜设备
相关申请的交叉引用
本申请要求印度专利申请No.1822/CHE/2010的优先权，该专利于2010年6月28日提交，通过引用将其整体并入本文。
背景技术
提供以下的描述以协助读者理解。所提供的任何信息或所引用的参考不被承认是现有技术。
当视网膜接收到光时，在视网膜的层内发生复杂的信号处理。视觉信号以电“尖峰信号”的形式对信息进行编码。这些电“尖峰信号”实际上是从神经节细胞经由视神经发送到大脑中的视觉皮质的电化学信号。在一些与视力有关的疾病中，视网膜的包括感光器的外层失去其功能。然而，视网膜的内层在解剖学上仍保持不变并且在功能上完整无缺。
在使用微光电二极管阵列和图样化的激励电极来作为人造视网膜设备上已经取得了进步。这种人造视网膜设备被设计用来处理与视力有关的各种疾病(例如色素性视网膜炎(retinal pigmentosa)和黄斑变性)，或者用来增强正常视力。然而，已知的人造视网膜设备涉及基于无机材料(例如硅或铂/铱氧化物涂敷的衬底)的常规电子技术。这种设备是非生物相容的或非生物稳定的，并从而在移植入人眼方面涉及严重的缺陷。
与传统人造视网膜设备相关联的缺陷有很多。由于设备与人体组织在移植/组织分界面处的机械不相容，已知这种设备在活体(in-vivo)情况下产生严重的神经胶质变性(gliosis)和其他的并发症。此外，这种设备需要生物相容的电极来与人体组织进行界面连接，以及需要视频芯片来处理信号。这种设备还需要外部电源，可以经由射频信号或脉冲能量系统来提供该外部电源。此外，虽然在很多领域(例如，材料、制造、能量供给、包装等)中有了众多的进步，传统的人造视网膜设备有着较低的视敏度。例如，传统的设备已允许最大仅20/100的视力。
发明内容
本技术提供了说明性的人造视网膜设备，该人造视网膜设备包括衬底和在衬底上形成的微电极阵列。人造视网膜设备还包括在所述微电极阵列上沉积的光导性聚合物混合物。光导性聚合物混合物被配置为响应于接收到光来产生被激发的电荷载流子。
说明性的人造视网膜设备还可以包括微电极阵列中的至少一个电极与光导性聚合物混合物之间的分界面，以使得分界面被配置为累积被激发的电荷载流子并产生相对于地的电压改变。在一个实施例中，地是电解质层的电解质。可以在光导性聚合物混合物上形成电解质层，其中，地包括电解质层。电解质层可以是盐溶液或凝胶之一。在一个备选实施例中，地可以是微电极阵列中的另一电极。
说明性的人造视网膜设备中的微电极阵列可以与神经元相邻，以使得微电极阵列向神经元传送与电压改变相对应的电信号。微电极阵列中的电极可以包括导电聚合物，例如，聚(3，4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)。
说明性的人造视网膜设备中的衬底可以是柔性的，并且可以包括玻璃、塑料或生物相容的复合物。光导性聚合物混合物可以包括聚噻吩或聚对苯撑亚乙烯基衍生物中的至少之一。在一个实施例中，光导性聚合物混合物可以是P3HT(聚3-己基噻吩)-PCBM。光导性聚合物混合物可以是透明或半透明的。
在一个实施例中，光导性聚合物混合物包括对光谱中的相应波长敏感的一个或多个像素。该一个或多个像素可以具有不同成分的光导性聚合物，或者可以具有不同厚度的光导性聚合物混合物。在一个实施例中，像素被配置为检测两种颜色中的一种，并传送电信号，该电信号包括响应于检测到相应颜色的正和负尖峰信号。
说明性的人造视网膜设备可以具有若干几何结构。例如，微电极阵列可以被直接沉积在衬底上，并且实质上被光导性聚合物混合物包围。此外，导电聚合物可以位于衬底与光导性聚合物混合物之间。说明性的人造视网膜设备还可以包括位于衬底与光导性聚合物混合物之间的电解质层。此外，微电极阵列和光导性聚合物混合物可以位于电解质与衬底之间。
本技术还提供制造人造视网膜设备的说明性方法。该方法包括在衬底上形成微电极阵列并在微电极阵列上涂上光导性聚合物混合物。光导性聚合物混合物被配置为响应于接收到光来产生被激发的电荷载流子。
在一个实施例中，在衬底上形成微电极阵列包括在图样化电极上旋转涂覆聚(3，4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)，图样化电极包括铟锡氧化物或涂敷了铂或氮化硅的玻璃。说明性的方法还可以包括加热微电极阵列，以提高PEDOT:PSS对图样化电极的粘附。
在一个实施例中，涂上光导性聚合物可以包括在微电极阵列中的至少一个电极与光导性聚合物混合物之间形成分界面。该分界面被配置为累积被激发的电荷载流子并产生相对于地的电压改变。该方法还可以包括在衬底上形成电解质层。在一个实施例中，地是电解质层。在一个备选实施例中，地可以是微电极阵列中的另一电极。
衬底可以是柔性衬底，包括玻璃、塑料或生物相容的复合物，以及光导性聚合物混合物可以包括聚噻吩或聚对苯撑亚乙烯基衍生物。
在一个实施例中，在微电极阵列上涂上光导性聚合物混合物包括形成光导性聚合物混合物的一个或多个对光谱中的相应波长敏感的像素。形成光导性聚合物混合物的一个或多个像素可以包括形成具有不同成分的光导性聚合物的一个或多个像素，或者形成具有不同厚度的光导性聚合物混合物的一个或多个像素。
在另一实施例中，在微电极阵列上涂上光导性聚合物混合物包括将微电极阵列实质上包围在光导性聚合物混合物内。说明性的方法还可以包括在光导性聚合物混合物上形成电解质层，以使得微电极阵列和光导性聚合物混合物位于电解质与衬底之间。
本技术还提供制造人造视网膜设备的说明性方法，该方法包括在衬底上形成地层和在地层上形成光导性聚合物混合物。该方法还包括：与光导性聚合物混合物相邻地沉积微电极阵列。光导性聚合物混合物被配置为响应于接收到光来产生被激发的电荷载流子。
在一个实施例中，微电极阵列可以完全由导电聚合物形成，例如，聚(3，4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)。
在另一实施例中，与光导性聚合物混合物相邻地沉积微电极阵列包括在微电极阵列中的电极与光导性聚合物混合物之间形成分界面。该分界面被配置为累积被激发的电荷载流子并产生相对于地的电压改变。地层可以包括导电聚合物或电解质。
此外，形成光导性聚合物混合物可以包括形成光导性聚合物混合物的对光谱中的相应波长敏感的一个或多个像素。形成光导性聚合物混合物的一个或多个像素可以包括形成具有不同成分的光导性聚合物的一个或多个像素，或者形成具有不同厚度的光导性聚合物混合物的一个或多个像素。
以上发明内容仅仅是说明性的，而绝不是限制性的。除了上述示例性的各方案、各实施例和各特征之外，参照附图和以下详细说明，将清楚其他方案、其他实施例和其他特征。
附图说明
根据以下说明和所附权利要求，结合附图，本公开的前述和其他特征将更加清楚。在认识到这些附图仅仅示出了根据本公开的一些实施例且因此不应被认为是限制本公开范围的前提下，通过使用附图以额外的特征和细节来详细描述本公开。
图1a和1c示出了根据说明性的实施例的基于有机材料的人造视网膜设备的横截面视图，该人造视网膜设备具有第一和第二几何结构。
图1b示出了根据说明性的实施例的被配置用于二色检测的设备的光导性聚合物混合物的输出响应。
图2a和2b示出了根据说明性实施例的基于有机材料的人造视网膜设备的横截面视图，该人造视网膜设备具有第三和第四几何结构。
图3示出了根据说明性实施例的基于有机材料的人造视网膜设备的横截面视图，该人造视网膜设备具有第五几何结构。
图4示出了根据说明性实施例的基于有机材料的人造视网膜设备的顶视图。
图5是根据说明性实施例的基于有机材料的人造视网膜设备在患者眼睛内的视网膜下(sub-retinal)和视网膜上(epi-retinal)放置的示意。
图6示出了根据说明性实施例的用于制造图1a、1c和3的基于有机材料的人造视网膜设备的方法。
图7示出了根据说明性实施例的用于制造图2a和2b的基于有机材料的人造视网膜设备的方法。
图8a和8b示出了根据说明性实施例的普通哺乳动物视网膜的输出响应。
图9a、9b和9c示出了根据说明性实施例的本技术的基于有机材料的人造视网膜设备的输出。
具体实施方式
在以下详细说明中，参考了作为详细说明的一部分的附图。在附图中，类似符号通常表示类似部件，除非上下文另行指明。具体实施方式部分、附图和权利要求书中记载的示例性实施例并不是限制性的。在不脱离在此所呈现主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，且可以进行其他改变。应当理解，在此一般性记载以及附图中图示的本公开的各方案可以按照在此明确公开的多种不同配置来设置、替换、组合和设计。
存在与传统人造视网膜设备相关联的各种问题。它们包括但不限于这种设备与生物组织的一般性不相容。传统人造视网膜设备由与生物组织不相容的无机材料制成，从而导致了众多的并发症，这些并发症是由设备与组织在移植/组织分界面处的不相容而出现的。本文描述了改进的基于有机材料的人造视网膜设备，其包括光导性的半导体聚合物来作为活性介质(active media)。活性介质的聚合物特性允许利用聚合物机械属性的优点。这种设备与多数的缓冲溶液和生物组织相容并且是光电稳定的。
图1a示出了根据说明性实施例的基于有机材料的人造视网膜设备100的横截面视图，该人造视网膜设备100具有第一几何结构。这种设备可被配置用于眼睛中的视网膜下放置，以使得电极阵列与相关的细胞(例如神经元，如感光细胞)进行电接触。人造视网膜设备100包括在光导性聚合物混合物120上形成的微电极110的阵列。微电极110可以包括本领域技术人员已知的任何导电材料。例如，微电极110可以包括铂或者导电性的透明材料(例如，铟锡氧化物)。在一个备选实施例中，微电极110可以包括透明或半透明的导电聚合物，例如聚(3，4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)，该导电聚合物是在衬底(例如玻璃、塑料、生物相容的复合物或者本领域技术人员已知的任何其他衬底材料)上形成的。在一个实施例中，各个微电极110完全由导电聚合物(例如，PEDOT:PSS)制成，从而允许在没有任何金属或金属氧化物的情况下形成人造视网膜设备100。
人造视网膜设备100还包括在微电极110的阵列下方形成的光导性聚合物混合物120。光导性聚合物混合物120可以包括聚(3-己基噻吩)P3HT、作为供体聚合物的其他聚噻吩或聚对苯撑亚乙烯基衍生物、苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、分子或聚合物形式的作为受体的萘或二萘嵌苯二酰亚胺衍生物，或者本领域技术人员已知的能够对电荷载流子进行充分光激发的任何其他光导性聚合物混合物120。示例萘或二萘嵌苯二酰亚胺衍生物可以包括聚{[N，N′-双(2-辛基十二烷基)-萘-1，4，5，8-双(二羧酰亚胺)-2，6-二基]-交替-5，5′-(2，2′-联噻吩)}(P(NDI2OD-T2)：Polyera ActivInkN2200)、N，N′-二嘧啶基-3，4，9，10-二萘嵌苯-四羧基二酰亚胺(DMP)或N-(1-壬基癸基)二萘嵌苯-3，4，9，10-四羧基-3，4-酸酐-9，10-酰亚胺)。在一个实施例中，光导性聚合物混合物120可以是透明或半透明的。
光导性聚合物混合物120包括通过光激发来对光进行响应的电荷载流子。当在光导性聚合物混合物120处接收到光时，如下进一步描述的，由于吸收了光子，光导性聚合物混合物120内的电荷载流子(例如，电子)变为被激发的。被激发的电荷载流子的移动导致电荷载流子在微电极110与光导性聚合物混合物120之间的分界面处累积。进而，微电极110与光导性聚合物混合物120之间的分界面处的电荷载流子的累积将导致微电极110与地之间的电压改变，与眼睛相关联的细胞(例如神经元，如感光细胞)感测到该电压改变。
人造视网膜设备100还包括电解质130。电解质130担当反接地电极，并且担当对来自光导性聚合物混合物120的电荷的接收者。由此，可以在电解质130与微电极110之间建立电势。电解质130可以包括盐溶液、凝胶或者本领域技术人员已知的任何其他电解质。
人造视网膜设备100还包括衬底140，在衬底140上形成微电极110的阵列、光导性聚合物混合物120和/或电解质130。在图1a中，在衬底140上直接形成电解质130，在电解质130上形成光导性聚合物混合物120，以及在光导性聚合物混合物120上直接形成微电极110的阵列。衬底140可以包括玻璃、塑料、生物相容的复合物或者本领域技术人员已知的能够在人造视网膜设备100中使用的任何其他衬底材料。在一个实施例中，衬底140是柔性的，从而允许将人造视网膜设备100安全并舒适地放在患者的眼睛中。在一个备选实施例中，如下关于图2a和2b所描述的，可以将微电极阵列直接形成在衬底上，并从而在微电极阵列上和周围形成光导性聚合物混合物，以及可以在光导性聚合物混合物上形成电解质。
如上讨论的，在接收到光时，光导性聚合物混合物120内的电荷载流子由于吸收光子而变为被激发的。光导性聚合物混合物内的聚合物的组合模仿了视网膜(视黄醛、维生素A乙醛)。人造视网膜设备100的光导性聚合物混合物120展现出入射光生成和电荷载流子的移动。光子的吸收区域性地激励了光导性聚合物混合物120，即，在光导性聚合物混合物120接收光的区域中形成被激发的电荷载流子。被激发的电荷载流子的移动导致被激发的电荷载流子在光导性聚合物混合物120被激励的区域与对应的微电极110之间的分界面处累积，该对应的微电极110与光导性聚合物混合物120被激励的区域相邻。这进而导致在该相应的微电极110与地之间形成电势。在一个实施例中，地可以是微电极110中的阵列的另一微电极。在一个备选实施例中，地是缓冲溶液，例如与光导性聚合物混合物120相邻的电解质130。
由与眼睛相关联或者临近人造视网膜设备100的细胞(例如神经元，如感光细胞(例如杆状状胞、视锥细胞等))“感测”微电极110与地之间的电势/电压改变。在备选实施例中，神经元是神经节细胞。因此，微电极110刺激与眼睛相关联或者临近人造视网膜设备100的感光细胞，从而最终基于在光导性聚合物混合物120的各个区域内接收到的光，向感光细胞提供适合的电信号。作为在微电极110处响应于接收到的光的电势改变的结果，感光细胞接收对在眼睛的正常视觉感光层中将会接收到的信号尖峰进行模仿的信号。
人造视网膜设备100被配置为检测可见频谱中的光。在备选实施例中，人造视网膜设备100还可以被配置为检测电磁频谱的红外区域中的光。根据说明性的实施例，光导性聚合物混合物120包括对光谱中的不同波长敏感的不同成分。可以将光导性聚合物混合物120选择性地像素化，以使得各个像素对光谱中的不同波长敏感，而不是在设备上有单个连续的成分。例如，可以使用聚对苯撑来检测黄颜色，可以使用聚氟来检测蓝颜色，以及可以使用聚(3-己基噻吩衍)生物来检测绿颜色和红颜色。在备选实施例中，不同厚度的光导性聚合物混合物120可能对光谱中的不同波长敏感。光导性聚合物混合物120的厚度范围可以从0.1微米到50微米。在一个实施例中，使用厚度大于1微米的光导性聚合物混合物来检测红光，而使用厚度小于200nm的光导性聚合物混合物来检测蓝光或绿光。因此，可以对光导性聚合物混合物120进行像素化，以使得不同的像素具有不同厚度的光导性聚合物混合物。由此，不同的像素将对光的不同波长的光敏感。进而，像素与微电极阵列110中的一个或多个电极相关联。
在一个实施例中，人造视网膜设备100还可以被配置用于根据二色检测方案的颜色对比，该二色检测方案使用具有统一成分和厚度的光导性聚合物混合物。根据这种实施例，光导性聚合物混合物的统一成分具有给定的厚度，这将分别响应于接收到第一颜色或第二颜色的光来产生正或负尖峰信号形式的电信号。例如，当在具有特性厚度的光导性聚合物混合物处接收到红光时，将生成具有负尖峰的电信号。相反，当在具有相同特性厚度的相同光导性聚合物混合物处接收到蓝光时，将生成具有正尖峰的电信号。因此，可以基于所生成的电尖峰信号的极性来区分红颜色和蓝颜色。
图1b示出了根据说明性的实施例的被配置用于二色检测的设备的光导性聚合物混合物所生成的输出响应。将与图1b相关联的设备配置为检测两种颜色中的一种。两种颜色是红色(例如，波长大约是650nm的光)和蓝色(例如，波长大约是470nm的光)，然而可以使用任意两种光，取决于所选择的光导性聚合物混合物120的像素的厚度，这在之前的段中进行了讨论。该设备包括厚度在250nm至300nm之间的光导性聚合物混合物，该光导性聚合物混合物包括比率为1∶1的聚(3-己基噻吩)和受体聚合物的混合物。将光导性聚合物混合物溶解在氯苯中，并流延在铟锡氧化物上，在此，将该光导性聚合物混合物在80℃固化。使用氯化钾溶液来作为电解质，并且使用涂敷了铂的玻璃来作为反电极。该设备包括大约12mm2的活性表面区域。发光二极管被用作光源，并由功能生成器进行驱动。
如图1b所示意的，响应于该设备接收到蓝光(即，波长大约是470mm的光)，初始产生正极性的电尖峰信号。相反，与响应于接收到蓝光而生成的电尖峰信号的极性相比，红光(即，波长大约是650nm的光)导致生成极性相反的电尖峰信号。例如，响应于该设备接收到持续时间为0.05秒的红光脉冲，初始生成负极性的电尖峰信号。因此，这种设备用于生成相反极性的电尖峰信号，这允许区分红色和蓝色波长光。应该注意到，当被修改为具有厚度大得多或小得多(例如，厚度小于200nm或者大于500nm)的光导性聚合物混合物时，上述的设备不响应于接收红色光和蓝色光而分别展现出相反的极性。当关闭0.05秒长的光脉冲时，出现针对每种颜色的第二尖峰信号。如图1b中示意的，与关闭红色和蓝色光脉冲相关联的第二尖峰信号具有相反的极性。
在备选实施例中，可以将上述的二色检测方案与不同于人造视网膜设备100的设备一起采用，以区分两种颜色并生成图像。例如，相机或本领域技术人员已知的其他成像设备可以采用二色检测方案。这种设备可以包括一个或多个电极，该一个或多个电极被配置为检测和区分响应于光的接收而由光导性聚合物混合物产生的电信号的极性。这种设备还可以包括处理器，处理器被配置为接收并翻译正和负的尖峰信号，以区分两种颜色。还可以将处理器配置为基于电信号的尖峰的极性来生成具有颜色对比度的图像。在一个实施例中，该设备还可以包括显示器，显示器被配置为显示所生成的图像。
根据下面关于图1c、2a、2b和3描述的各种实施例，人造视网膜设备100可以具有很多备选配置/几何结构。例如，可以使用微电极110的阵列中的一个电极作为地来侧向地创建电势。备选地，在横向几何结构中，可以用缓冲溶液(例如可以担当地的电解质130)来涂敷光导性聚合物混合物120。虽然来自与采用电极作为地的设备相关联的设备的电势是由电荷载流子在光导性聚合物混合物120的聚合物网络上传输而引起的，但采用横向几何结构的设备由于从光导性聚合物混合物12至电解质130或反之的电荷转移而生成信号。
图1c示出了根据说明性实施例的本技术的另一基于有机材料的人造视网膜设备150的横截面视图，该人造视网膜设备150具有第二几何结构。图1c的设备被配置用于眼睛内的视网膜上放置。图1c的人造视网膜设备150包括衬底190，在衬底190上形成电解质180。在电解质180上形成光导性聚合物混合物170。在光导性聚合物混合物170上形成微电极160的阵列。根据这种配置，电解质180再次被配置为地。
如上讨论的，在接收到光时，光导性聚合物混合物170内的电荷载流子由于吸收光子而变为被激发的。光子的吸收区域性地激励了光导性聚合物混合物170，即，在光导性聚合物混合物170接收光的区域中形成被激发的电荷载流子。被激发的电荷载流子的移动导致被激发的电荷载流子在光导性聚合物混合物170被激励的区域与对应的微电极160之间的分界面处累积，该对应的微电极160与光导性聚合物混合物170被激励的区域相邻。这进而导致在该相应的微电极160与担当地的电解质180之间形成电势。
微电极160与电解质180之间的电势/电压改变被神经节细胞“感测”。因此，微电极160刺激与眼睛相关联或者临近人造视网膜设备150的神经节细胞，从而最终基于在光导性聚合物混合物170的各个区域内接收到的光，向神经节细胞提供适合的电信号。作为在微电极160处响应于接收到的光的电势改变的结果，神经节细胞接收对从眼睛的正常视觉感光层中将会接收到的信号尖峰进行模仿的信号。
图2a示出了根据说明性实施例的本技术的基于有机材料的人造视网膜设备200的横截面视图，该人造视网膜设备200具有第三几何结构。图2a的设备被配置用于眼睛内的视网膜下放置。图2a的人造视网膜设备200包括在衬底240上形成的微电极210的阵列。光导性聚合物混合物220实质上包围微电极210的阵列，以使得除了微电极210中与衬底240相邻的部分之外，微电极310被光导性聚合物混合物220所围绕。在光导性聚合物混合物220上形成电解质230。因此，电解质230被配置为地。人造视网膜设备200从而被配置为在微电极210与电解质230(担当地)之间产生电势/电压差，该电势/电压差被与眼睛相关联或临近人造视网膜设备200的感光细胞接收到。因此，微电极210刺激与眼睛相关联或者临近人造视网膜设备200的感光细胞，从而最终基于在光导性聚合物混合物220的各种区域内接收到的光，向感光细胞提供适合的电信号。
图2b示出了根据说明性实施例的本技术的另一基于有机材料的人造视网膜设备250的横截面视图，该人造视网膜设备250具有第四几何结构。人造视网膜设备250包括在衬底290上形成的微电极260的阵列。光导性聚合物混合物270实质上包围微电极260的阵列，以使得除了微电极260中与衬底290相邻的部分之外，微电极260被光导性聚合物混合物270所围绕。在光导性聚合物混合物270上形成电解质280。因此，电解质280被配置为地。这种设备被配置用于眼睛中的视网膜上放置。从而，人造视网膜设备250被配置为在微电极260与电解质280之间产生电势/电压差，与以上关于图1c描述的方式相似，该电势/电压差被神经节细胞接收到。因此，微电极260刺激与眼睛相关联或者临近人造视网膜设备250的神经节细胞，从而最终基于在光导性聚合物混合物270的各个区域内接收到的光，向神经节细胞提供适合的电信号。
图3示出了根据说明性实施例的本技术的另一基于有机材料的人造视网膜设备300的横截面视图，该人造视网膜设备300具有第五几何结构。人造视网膜设备300包括衬底340，在衬底340上形成导电聚合物325。导电聚合物325是导电的有机聚合物。在导电聚合物325上形成光导性聚合物混合物320。图样化的电解质310的阵列在光导性聚合物混合物320上形成图样。根据这一实施例，导电聚合物325担当地电极，电势在图样化的电解质310的阵列与导电聚合物325之间形成。在一个实施例中，人造视网膜设备300不包括金属的微电极，从而将设备与人体组织的相容性最大化。这种设备被配置用于眼睛中的视网膜下放置。人造视网膜设备300从而被配置为在导电聚合物325与图样化的电解质310的阵列之间产生电势/电压差，该电势/电压差被与眼睛相关联或临近人造视网膜设备300的感光细胞接收。因此，图样化的电解质310的阵列刺激了感光细胞，从而最终基于在光导性聚合物混合物320的各个区域内接收到的光，向感光细胞提供适合的电信号。
图4示出了根据说明性实施例的基于有机材料的人造视网膜设备100的顶视图。要注意到，图4同样适用于图1c的人造视网膜设备150。图4的人造视网膜设备100包括微电极110的阵列、光导性聚合物混合物120和电解质130。从顶视图看，图4的微电极110包括圆形的横截面。根据备选实施例，微电极110可以具有本领域技术人员已知的任何形状。
在一个说明性的实施例中，微电极110、210、260、310和360具有范围从10微米到100微米的直径，并被范围从30微米到400微米的距离分隔开。因此，通过将各个微电极相隔大约10微米，在5毫米(mm)×5mm的区域中可以形成256像素×256像素的设备。像素的密度可在每平方毫米1000-2000像素的范围内。在备选实施例中，备选的直径、距离和密度是可能的。
在一个说明性的实施例中，光导性聚合物混合物120、220、270、320和270的厚度可以从50纳米(nm)到200nm变化，并且电解质层的厚度可以是大约10微米厚。在备选实施例中，备选厚度是可能的。
图5是根据说明性实施例的基于有机材料的人造视网膜设备100和150在患者眼睛内的代表性视网膜下和视网膜上放置的示意。由人造视网膜设备100示意了设备在眼睛内的说明性视网膜下放置，人造视网膜设备100被朝向眼睛510的背部放置，在视网膜520之后。由人造视网膜设备150示意了设备在眼睛内的说明性视网膜上放置，人造视网膜设备150被朝向眼睛510的背部放置，但是在视网膜520前面。由此，人造视网膜设备100和150的微电极与神经元(例如感光细胞或神经节细胞)进行电接触，该感光细胞或神经元细胞向光神经530传送从微电极接收到的信号。在另一实施例中，人造视网膜设备100和150的微电极被放置为与眼睛的双极细胞接触。在一个实施例中，将人造视网膜设备(例如参考图2a和2b描述的人造视网膜设备)放置在眼睛内，以使得该设备的衬底与神经元(即神经节细胞或感光细胞)在物理上接触。
图6描述了根据说明性实施例的用于制造基于有机材料的人造视网膜设备100、150和300的方法。在操作600中，在衬底上形成地层。在一个实施例中，地层是电解质。电解质可以包括盐溶液、凝胶或者本领域技术人员已知的任何其他电解质。在一个备选实施例中，微电极层在衬底上形成，并且可以由担当地电极的导电聚合物(例如，PEDOT:PSS)组成。因此，地层包括接地点，相对于该接地点测量在随后沉积的微电极/光导性聚合物混合物分界面处的电势。
在操作610中，在地层上形成光导性聚合物混合物。光导性聚合物混合物可以包括聚(3-己基噻吩)-苯基-C61-丁酸甲酯(P3HT-PCBM)、其他聚噻吩或聚对苯撑亚乙烯基衍生物、或者本领域技术人员已知的能够对电荷载流子进行充分光激发的任何其他光导性聚合物混合物。光导性聚合物混合物包括电荷载流子，电荷载流子通过光激发对光进行响应，并且在随后形成的微电极与光导性聚合物混合物之间的分界面处累积，使得微电极与地层之间的电势/电压改变。可担当光导性聚合物混合物的其他可能的化合物包括但不限于：作为供体聚合物的聚[N-9’-十七烷基-2，7-咔唑-交替-5，5-(4’，7’-二-2-噻吩基-2’，1’，3’-苯并噻二唑)](PCDTBT)、聚[2，6-(4，4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2，1-b；3，4-b_]-二噻吩)-交替-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)，以及作为受体聚合物的苯基-C70-丁酸甲酯(PCBM-C70)、聚[N，N’-双(2-辛基十二烷基)-萘-1，4，5，8-双(二羧酰亚胺)-2，6-二基]-交替-5，5’-(2，2’-联噻吩)、(P(NDI20D-T2))或二萘嵌苯二酰亚胺及其衍生物。
在操作620中，在光导性聚合物混合物上形成微电极的阵列。如上所述，微电极可以包括本领域技术人员已知的任何导电材料。例如，微电极可以包括铂或者导电性的透明材料(例如，铟锡氧化物)。在一个说明性的实施例中，将微电极印制在光导性聚合物混合物上，以形成具体应用所需的图样。在一个备选实施例中，微电极可以仅包括导电聚合物，例如，PEDOT:PSS。这种配置允许人造视网膜设备100仅由有机材料形成，而无需包括任何金属或金属氧化物。设备中缺少金属和金属氧化物使得更好地与在其中移植了设备的有机组织相容。在一个备选实施例中，可以采用聚吡咯(polypyrrole)或本领域技术人员已知的任何其他导电的生物相容聚合物来作为导电聚合物。
图7描述了根据说明性实施例的用于制造基于有机材料的人造视网膜设备200和250的方法。在操作700中，根据本领域技术人员已知的任何工艺来在衬底上提供微电极的阵列。在一个说明性的实施例中，将微电极印制在衬底上，以形成具体应用所需的图样。如上所述，微电极可以包括本领域技术人员已知的任何导电材料。例如，微电极可以包括铂或者导电性的透明材料(例如，铟锡氧化物)。
在操作710中，将导电聚合物沉积在微电极的阵列上。根据说明性的实施例，可以通过在微电极上旋转涂覆PEDOT:PSS来完成对导电聚合物的沉积。
在一个备选实施例中，操作700中提供的微电极可以仅包括导电聚合物，例如，PEDOT:PSS。根据这种实施例，不执行步骤710，因为电极已经包括了导电聚合物。由此，各个微电极110完全由导电聚合物(例如，PEDOT:PSS)制成，从而允许在不包括任何金属或金属氧化物的情况下仅由有机材料形成人造视网膜设备100。在一个备选实施例中，可以采用聚吡咯或本领域技术人员已知的任何其他导电的生物相容聚合物来作为导电聚合物。
在操作720中，将光导性聚合物混合物涂(apply)在微电极的阵列上或周围。光导性聚合物混合物可以包括聚(3-己基噻吩)-苯基-C61-丁酸甲酯(P3HT-PCBM)、其他聚噻吩或聚对苯撑亚乙烯基衍生物、或者本领域技术人员已知的能够对电荷载流子进行充分光激发的任何其他光导性聚合物混合物。光导性聚合物混合物包括电荷载流子，电荷载流子通过光激发对光进行响应，并且在微电极与光导性聚合物混合物之间的分界面处累积，导致微电极与地之间的电势或电压改变。可担当光导性聚合物混合物的其他可能的化合物包括但不限于：作为供体聚合物的聚[N-9’-十七烷基-2，7-咔唑-交替-5，5-(4’，7’-二-2-噻吩基-2’，1’，3’-苯并噻二唑)](PCDTBT)、聚[2，6-(4，4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2，1-b；3，4-b_]-二噻吩)-交替-4，7-(2，1，3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)，以及作为受体聚合物的苯基-C70-丁酸甲酯(PCBM-C70)、聚[N，N’-二(2-辛基癸基)-萘-1，4，5，8-双(二羧酰亚胺)-2，6-二基]-交替-5，5’-(2，2’-联噻吩)、(P(NDI2OD-T2))或二萘嵌苯二酰亚胺及其衍生物。
在操作730中，相邻于光导性聚合物混合物形成电解质。电解质可以包括盐溶液、凝胶或者本领域技术人员已知的任何其他电解质。在一个实施例中，电解质包括地，相对于地来测量微电极/光导性聚合物混合物分界面处的电势。
图8a和8b示出了根据说明性实施例的普通哺乳动物视网膜的输出响应。图8b还示意了普通哺乳动物视网膜的神经节细胞的输出响应。
图9a示出了根据说明性的实施例的基于有机材料的人造视网膜设备(类似于人造视网膜设备100和150)的已滤波的实时输出。该说明性实施例的设备包括铂电极的微电极阵列，该铂电极具有40微米的直径，并且电极间的间隔是200微米。使用供体-受体聚合物的光导性聚合物。使用浓度为每升100毫摩尔的氯化钾溶液来作为电解质。该设备包括由银/氯化银形成的地电极。在各个电极上测量相对于地的数据，并使用数据获取卡以25kHz的采样率对其进行记录。使用功能生成器对来自发光二极管的光进行脉冲调节，并由此将其作为刺激源(stimulus)。使用数字式Butterworth滤波器来对信号滤波。将滤波器设置为从200Hz到3kHz。
图9b示出了基于有机材料的人造视网膜设备的未滤波实时输出，该人造视网膜设备与用于图9a的人造视网膜设备相同。图9c示出了相同的基于有机材料的人造视网膜设备的输出，除了将图9a和9b的设备中的铂电极的微电极阵列替换为由导电聚合物PEDOT:PSS形成的电极之外。如各个图中所示的，图9a、9b和9c中的设备的场响应与图8a和8b中示出的视网膜的场响应相似，从而展现出图9a、9b和9c的设备刺激眼睛内的神经节细胞并最终刺激光神经细胞的能力。最大幅度的尖峰信号具有范围在15-20毫伏中的值(如沿着y轴所展示的)。x轴对应于时间。图9a、9b和9c的图示意了在1秒的持续时间上进行的读取。
在本文中可已经使用了一个或多个流程图。流程图的使用不意味着对所执行的操作的顺序进行限制。本公开所述的主题有时说明不同部件包含在不同的其他部件内或者不同部件与不同的其他部件相连。应当理解，这样描述的架构只是说明性的，事实上可以实现许多能够实现相同功能的其他架构。在概念上，有效地“关联”用以实现相同功能的部件的任意设置，从而实现所需功能。因此，这里组合实现具体功能的任意两个部件可以被视为彼此“关联”从而实现所需功能，而无论架构或中间部件如何。同样，任意两个如此关联的部件也可以看作是彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以实现所需功能，且能够如此关联的任意两个部件也可以被视为彼此“能可操作地耦合”以实现所需功能。能可操作地耦合的具体示例包括但不限于物理上可配对和/或物理上交互的部件，和/或无线交互和/或可无线交互的部件，和/或逻辑交互和/或可逻辑交互的部件。
至于本文中任何关于多数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以从多数形式转换为单数形式，和/或从单数形式转换为多数形式，以适合具体环境和应用。为清楚起见，在此明确声明单数形式/多数形式可互换。
本领域技术人员应当理解，一般而言，所使用的术语，特别是所附权利要求中(例如，在所附权利要求的主体部分中)使用的术语，一般地应理解为“开放”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”等)。本领域技术人员还应理解，如果意在所引入的权利要求中标明具体数目，则这种意图将在该权利要求中明确指出，而在没有这种明确标明的情况下，则不存在这种意图。例如，为帮助理解，所附权利要求可能使用了引导短语“至少一个”和“一个或多个”来引入权利要求中的特征。然而，这种短语的使用不应被解释为暗示着由不定冠词“一”或“一个”引入的权利要求特征将包含该特征的任意特定权利要求限制为仅包含一个该特征的发明，即便是该权利要求既包括引导短语“一个或多个”或“至少一个”又包括不定冠词如“一”或“一个”(例如，“一”和/或“一个”通常应当被解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；在使用定冠词来引入权利要求中的特征时，同样如此。另外，即使明确指出了所引入权利要求特征的具体数目，本领域技术人员应认识到，这种列举通常应解释为意指至少是所列数目(例如，不存在其他修饰语的短语“两个特征”通常意指至少两个该特征，或者两个或更多该特征)。另外，在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。本领域技术人员还应理解，实质上任意表示两个或更多可选项目的转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为给出了包括这些项目之一、这些项目任一方、或两个项目的可能性。例如，短语“A或B”应当被理解为包括“A”或“B”、或“A和B”的可能性。
出于说明和描述的目的，之前已经对说明性实施例进行了描述。对于所公开的精确形式，其并非旨在并不旨在穷举或限制，并且根据以上的教导，修改和变型都是可能的，或者可以根据所公开的实施例的实践来获得修改和变型。意图在于本发明的范围要由在此所附的权利要求及其等同替代来限定。

Claims (15)

1.一种人造视网膜设备，包括：
衬底；
在所述衬底上形成的微电极阵列；以及
光导性聚合物混合物，与所述微电极阵列相邻，以形成所述微电极阵列中的至少一个电极与所述光导性聚合物混合物之间的分界面，其中，所述光导性聚合物混合物被配置为响应于接收到光来产生被激发的电荷载流子，以及所述分界面被配置为累积被激发的电荷载流子并产生相对于地的电压改变。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：电解质层，形成为与所述光导性聚合物混合物相邻，其中，所述地包括所述电解质层。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述微电极阵列被直接沉积在所述衬底上，并实质上由所述光导性聚合物混合物包围。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光导性聚合物混合物包括聚噻吩或聚对苯撑亚乙烯基衍生物中的至少之一。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述微电极阵列中的电极包括导电聚合物。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述导电聚合物是聚(3，4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)，以及所述光导性聚合物混合物包括P3HT(聚3-己基噻吩)-PCBM。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光导性聚合物混合物包括对光谱中的相应波长敏感的一个或多个像素，以及所述一个或多个像素包括不同成分的光导性聚合物或不同厚度的所述光导性聚合物混合物。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光导性聚合物混合物的至少一部分包括给定厚度，以及被配置为检测两种颜色中的第一颜色并传送第一电信号，以及检测所述两种颜色中的第二颜色并传送第二电信号，所述第一电信号包括响应于检测到所述第一颜色的正尖峰信号，所述第二电信号包括响应于检测到所述第二颜色的负尖峰信号。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括：位于所述衬底和所述光导性聚合物混合物之间的导电聚合物，以及所述微电极包括电解质。
10.一种制造人造视网膜设备的方法，所述方法包括：
在衬底上形成微电极阵列；以及
在所述衬底上形成光导性聚合物混合物，其中，所述光导性聚合物混合物被配置为响应于接收到光来产生被激发的电荷载流子，所述光导性聚合物混合物和所述微电极阵列在所述微电极阵列中的至少一个电极与所述光导性聚合物混合物之间形成分界面，以及所述分界面被配置为累积被激发的电荷载流子并产生相对于地的电压改变。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在所述衬底上形成地层，其中，所述地层包括所述地；
在所述地层上形成所述光导性聚合物混合物；以及
与所述光导性聚合物混合物相邻地沉积所述微电极阵列。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述微电极阵列完全由导电聚合物形成，所述导电聚合物包括聚(3，4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述衬底上形成光导性聚合物混合物包括将所述微电极阵列实质性地包围在所述光导性聚合物混合物内，所述方法还包括在所述光导性聚合物混合物上形成电解质层，以使得所述微电极阵列和所述光导性聚合物混合物位于所述电解质与所述衬底之间。
14.一种设备，包括：
电极；以及
光导性聚合物混合物，与所述电极相邻，其中，所述光导性聚合物混合物的至少一部分被配置为：
响应于接收到具有两种颜色中的第一颜色的光，使得在所述电极处形成第一电信号，其中，所述第一电信号具有第一极性；以及
响应于接收到具有所述两种颜色中的第二颜色的光，使得在所述电极处形成第二电信号，其中，所述第二电信号具有与所述第一极性相反的第二极性。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述光导性聚合物混合物的所述一至少部分具有统一的厚度和成分，所述设备还包括地，所述第一和第二电信号包括所述电极和所述地之间的电压差。
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