⚫ 3265 electrods/mm²的高密度電極
Maxwell MEA芯片上有26400個電極。這樣的密度使其可以記錄2D培養(yǎng)物中幾乎每一個活細胞；而對于3D類器官更為關(guān)鍵，因為類器官與芯片接觸面積通常比較小，如此高的密度提供了足夠的記錄位點獲取大量神經(jīng)元信息。
 

Maxwell MEA 芯片

可放在培養(yǎng)箱內(nèi)進行記錄
這使得在記錄過程中細胞能夠維持良好的生理狀態(tài)，支持反復(fù)長期的檢測。
低本底噪音，高信噪比
僅為2.4微伏的本底噪音保證了高質(zhì)量的讀取信號，使得AI系統(tǒng)獲得足夠豐富的輸出信息。
電極可作為刺激電極
在2萬多個電極中每一個電極都可作為刺激電極給出刺激，這在構(gòu)建的AI系統(tǒng)中成為重要的信息輸入的媒介。在此，高電極密度也為這種信息輸入提供了高空間分辨率的特性。
可開放API，實現(xiàn)快速實時反饋系統(tǒng)
Maxwell HD-MEA可開放API，允許其它軟件的操控，靈活地設(shè)計輸入輸出模式，能夠在輸入與輸出間建立實時的反饋。

研究結(jié)果
視覺修復(fù)與增強
研究采用光電納米材料碲（Te）同時解決視覺修復(fù)與增強的三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
（i）碲納米線網(wǎng)絡(luò)（TeNWNs）形成交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，易于植入以替代受損的光感受器（在視網(wǎng)膜色素變性小鼠模型中驗證）；
（ii）Te的窄帶隙（~0.3 eV）和高光吸收率（單層可達9%）使其能響應(yīng)更長波長和更低能量的光子；
（iii）Te的內(nèi)部缺陷（空位和置換缺陷）與外部界面（材料與視網(wǎng)膜細胞的相互作用）不對稱性共同驅(qū)動零偏壓光電流，無需額外輔助組件。這些特性使TeNWNs成為覆蓋可見光至近紅外-II波段的理想納米假體。

碲的晶格結(jié)構(gòu)與光電流計算
研究系統(tǒng)分析了TeNWNs的晶格結(jié)構(gòu)、缺陷工程與光電性能關(guān)聯(lián)。

通過化學(xué)氣相沉積法合成的TeNWNs呈現(xiàn)螺旋鏈六方堆疊結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部Sn置換和Te空位缺陷經(jīng)HAADF-STEM、ICP-MS和EDS證實具有不對稱分布特性。量子輸運模擬揭示：無缺陷的同質(zhì)界面器件（模型I）僅產(chǎn)生1 mA cm^-2的微弱光電流，而引入缺陷和異質(zhì)界面（模型II）后，零偏壓光電流顯著增強，覆蓋可見光至近紅外-II波段，最高達288 mA cm^-2。這種增強源于缺陷誘導(dǎo)的費米能級局域態(tài)及界面不對稱性打破晶體對稱性，促進光生載流子分離。

實驗與理論結(jié)合表明，Sn置換缺陷比Te空位更易形成，且缺陷位置（如納米線尖端富集）和密度直接影響光電流強度——通道右側(cè)缺陷的光電流輸出比居中缺陷高數(shù)個量級。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計高效零偏壓光電器件提供了關(guān)鍵指導(dǎo)：通過精準調(diào)控缺陷分布與界面特性，可協(xié)同優(yōu)化碲基納米材料的寬譜光電響應(yīng)性能，為其在視網(wǎng)膜假體等生物電子應(yīng)用中的突破奠定基礎(chǔ)。

圖1. 碲（Te）的晶格結(jié)構(gòu)與光電流計算

(A) Te鏈不對稱原子結(jié)構(gòu)示意圖，灰色虛線框標注各結(jié)構(gòu)單胞。(B) Te納米線網(wǎng)絡(luò)（TeNWNs）的掃描電鏡圖（左）與高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡圖（右），中間面板展示左側(cè)框選區(qū)域單根沿c軸方向徑向排列的Te納米線放大圖，STEM圖像中紅色虛線圓標注缺陷位點。(C) Te光電流計算器件模型，紅、藍、灰圓圈分別標示內(nèi)部缺陷（如Sn替代、Te空位）與外部界面效應(yīng)（電極通道）。(D) 零偏壓下Te在可見光至近紅外二區(qū)（NIR-II）波段的光電流響應(yīng)，計算模型包含金電極與12納米長含Sn替代的Te通道，JSC為短路電流密度。(E) 本征、替代、空位及界面模型在NIR-I（954 nm）與NIR-II（1550 nm）波段的光電流密度計算值，Sn替代/Te空位缺陷及電極-通道界面效應(yīng)均增強光電流。本征模型指光電流計算中以重摻雜Te為電極的模型，其光電流密度放大100倍展示。

實驗器件中的光電流與電生理學(xué)研究
通過光電測試平臺和電生理學(xué)方法系統(tǒng)評估了TeNWNs的光電特性。
實驗證實，TeNWNs在零偏壓條件下即可產(chǎn)生自發(fā)光電流，其密度隨光照強度線性增加，覆蓋可見光至近紅外-II波段。對比研究表明，TeNWNs的光電流密度達到近30A cm^-2，顯著優(yōu)于其他維度的光電材料，這主要得益于其獨特的低維結(jié)構(gòu)和不對稱界面/缺陷效應(yīng)。值得注意的是，在強激光照射下器件未出現(xiàn)明顯溫升，展現(xiàn)了良好的熱穩(wěn)定性。通過離體電生理平臺（高密度多電極陣列，HD-MEA），研究人員成功演示了TeNWNs對復(fù)雜光圖案(如幾何形狀、數(shù)字等)的精確響應(yīng)能力，其產(chǎn)生的光電流分布能準確再現(xiàn)投射圖案。這些發(fā)現(xiàn)不僅驗證了TeNWNs作為視網(wǎng)膜假體的寬譜響應(yīng)優(yōu)勢，更凸顯了其在模擬生物視覺信號處理方面的巨大潛力，為開發(fā)新一代自供能視覺修復(fù)器件奠定了重要基礎(chǔ)。

圖2. 光電與電生理平臺實測光電流

(A) Te器件在NIR-II（1550 nm）刺激下不同激光強度的光電流密度輸出曲線，紅色虛線標示零偏壓下顯著光電流及其隨強度增強趨勢。(B) Te器件在可見光（520 nm）、NIR-I（1060 nm）及NIR-II（1550/2000 nm）波段的光電流密度隨激光強度變化關(guān)系，各波段均呈線性增長，虛線為線性擬合。(C) 零偏壓下不同維度材料（1D[TeNWNs、WS2納米管]、2D[CuInP2S6]、3D[BiFeO3等]）光電流密度統(tǒng)計，隨維度降低光電流呈上升趨勢，TeNWNs因內(nèi)外不對稱性表現(xiàn)出最高值。(D) 不同材料與機制（硅光伏、納米線光伏、電容效應(yīng)、波長轉(zhuǎn)換等）恢復(fù)光敏性能的總結(jié)，TeNWNs憑借窄帶隙與高效光電轉(zhuǎn)換將光敏性推至NIR-II創(chuàng)紀錄波段（1550 nm，淺紅區(qū)）。(E) 電生理平臺集成高密度多電極陣列（HD-MEA）、數(shù)字微鏡器件（DMD）與635 nm激光的TeNWNs光電流測試示意圖。(F) 635 nm激光視覺圖案（圓形/三角形）照射下TeNWNs表面電壓響應(yīng)分布，色階線性映射響應(yīng)幅值。

碲納米線網(wǎng)絡(luò)光電流刺激誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞響應(yīng)
為評估視網(wǎng)膜激活閾值，在生理鹽水中記錄了TeNWNs在可見光（635nm）和近紅外-II（1550nm）不同強度與脈沖時長下的光電流響應(yīng)，結(jié)果顯示光電流隨光強增加而穩(wěn)定上升。
采用遺傳性視網(wǎng)膜變性盲鼠模型評估視覺修復(fù)效果。TeNWNs與視網(wǎng)膜細胞形成異質(zhì)界面后，盲鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞（RGCs）在可見光（470/570/635nm）和近紅外光（940/1550nm）刺激下均表現(xiàn)出強烈放電活動，而正常小鼠視網(wǎng)膜對635nm以上波長無響應(yīng)。通過系統(tǒng)測試不同波長與參數(shù)的刺激閾值發(fā)現(xiàn)：近紅外-II（1550nm）激活閾值最低（18.98mW/mm²，0.18秒），藍光（470nm）最高（506.23mW/mm²），且響應(yīng)RGCs比例從近紅外-II的78.6%遞減至藍光的64.3%。刺激響應(yīng)延遲為200-600毫秒，高強度光誘發(fā)更快響應(yīng)，最高可跟隨5Hz的時變刺激。

空間分辨率分析顯示，TeNWNs植入盲鼠的RGCs感受野面積（135.57平方度）與正常小鼠（163.02平方度）相當(dāng)。通過雙極細胞層標記和樹突重建，鑒定出38個RGCs中包含18個ON型、13個OFF型和7個ON-OFF型細胞，均表現(xiàn)延遲的ON型響應(yīng)特征。
 

圖3. TeNWNs介導(dǎo)的盲鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞（RGCs）電生理響應(yīng)

(A) 離體膜片鉗記錄TeNWNs附著盲鼠視網(wǎng)膜RGCs示意圖。(B) RGCs對藍（470 nm）、黃（570 nm）、紅（635 nm）、NIR-I（940 nm）及NIR-II（1550 nm）光照的典型響應(yīng)波形，右側(cè)為動作電位放大圖。(C-D) RGCs對1550 nm/635 nm不同強度刺激的原始響應(yīng)軌跡及波形放大。(E) 各波長刺激下TeNWNs響應(yīng)RGCs平均比例，藍色虛線標示50%響應(yīng)閾值對應(yīng)光強。(F) 介導(dǎo)50% RGC響應(yīng)的光強閾值。(G) 不同光強刺激下RGC響應(yīng)延遲。(H) TeNWNs附著盲鼠視網(wǎng)膜對1-12 Hz閃光刺激的RGC響應(yīng)比例。(I-J) 正常鼠與TeNWNs附著盲鼠視網(wǎng)膜感受野分布及面積比較。(K) 生物素標記RGCs（綠）與ChAT標記細胞（紅）的共聚焦圖像（左）、樹突分層示意圖（中）及樹突密度分布（右）。(L) 按形態(tài)與生理反應(yīng)分類的ON/OFF/ON-OFF型RGC數(shù)量統(tǒng)計。

TeNWN植入盲鼠視覺皮層的視覺誘發(fā)電位研究
通過多模態(tài)電生理技術(shù)證實，視網(wǎng)膜下植入的TeNWNs可使盲鼠視覺通路重建近紅外光信號處理能力。
OCT和血管造影顯示植入器件長期穩(wěn)定整合于視網(wǎng)膜下間隙。特征性電生理指標顯示：
1）fEEP信號未出現(xiàn)幅值飽和，表明在安全光強范圍內(nèi)具有寬動態(tài)響應(yīng)范圍；
2）皮層fVEP響應(yīng)證實近紅外信號可跨突觸傳遞至視覺中樞，雖潛伏期延長但保持頻率跟隨特性；
3）ssVEP分析揭示植入鼠與正常鼠具有相似的頻域鎖相能力，最佳響應(yīng)頻率為4Hz。
這些發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)論證了TeNWNs不僅能在視網(wǎng)膜層面實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，更能重建"視網(wǎng)膜-皮層"完整視覺信息處理通路，特別是首次在動物模型中實現(xiàn)了近紅外光誘發(fā)皮層電位，為開發(fā)具有全譜感知能力的神經(jīng)假體提供了直接證據(jù)。
 

圖4. TeNWNs植入盲鼠的視覺功能恢復(fù)與增強

(A) 植入鼠（19號）視網(wǎng)膜OCT B掃描圖像，紅色虛線框標定TeNWNs植入位點，底部放大圖顯示TeNWNs位于內(nèi)核層（INL）下。(B) 植入后7/14/30天的OCT B/C掃描圖像，紅色箭頭標示植入位點。(C) 植入112天后吲哚菁綠血管造影（FFA）時序圖像，白框標示植入?yún)^(qū)。(D-E) 正常鼠紫外光、TeNWNs植入盲鼠近紅外及正常鼠近紅外刺激下的閃光視覺誘發(fā)電位（fVEP）原始軌跡與波形。(F-G) N1波潛伏期及不同光強下峰峰值振幅比較。(H) 光提示水獎勵學(xué)習(xí)范式。(I-J) 正常鼠與植入鼠在白光/NIR（940 nm）刺激測試階段的正確率對比。(K) 635 nm/940 nm刺激下三組小鼠光源定位正確率。(L-M) 圖案識別測試范式及每日正確率變化。(N) 兩組激光刺激下圖案識別平均正確率統(tǒng)計。

生物相容性評估
研究系統(tǒng)評估了TeNWNs視網(wǎng)膜植入物的長期生物相容性。通過免疫熒光染色和細胞定量分析發(fā)現(xiàn)，植入后60天內(nèi)，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞和雙極細胞數(shù)量在植入?yún)^(qū)與非植入?yún)^(qū)保持穩(wěn)定，未見顯著差異。雖然術(shù)后7天植入?yún)^(qū)出現(xiàn)輕微膠質(zhì)細胞活化（GFAP+ Müller細胞增加）和小膠質(zhì)細胞（Iba1+）浸潤，但這些反應(yīng)在后續(xù)時間點未持續(xù)惡化。TUNEL凋亡檢測證實植入?yún)^(qū)細胞死亡率與對照組相當(dāng)。所有炎癥反應(yīng)均局限在可控范圍內(nèi)，未引發(fā)持續(xù)性免疫排斥或視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)損傷。這些數(shù)據(jù)充分證明TeNWNs具有良好的組織相容性，其引起的宿主反應(yīng)符合醫(yī)用植入物安全標準，為其臨床應(yīng)用提供了重要的安全性依據(jù)。

TeNWN植入盲鼠視覺功能恢復(fù)與增強的行為學(xué)驗證
研究通過系列行為學(xué)實驗證實，TeNWNs視網(wǎng)膜植入可顯著恢復(fù)盲鼠視覺功能并拓展紅外感知能力。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：
1）瞳孔反射測試顯示植入盲鼠能響應(yīng)可見光（白光/紅光）和1550nm近紅外光，且反應(yīng)強度均在安全閾值內(nèi)；
2）操作性條件反射實驗中，植入鼠對940nm近紅外光的任務(wù)正確率達66.67%，顯著優(yōu)于正常鼠（11.67%），并表現(xiàn)出持續(xù)的學(xué)習(xí)改善；
3）在復(fù)雜行為測試中，植入鼠成功完成光源定位（近紅外光正確率71.67%）和幾何圖案識別（正確率約60%）等高階視覺任務(wù)。
這些結(jié)果首次證明人工視網(wǎng)膜不僅能重建基礎(chǔ)光感，還可恢復(fù)空間定位和物體識別能力，更突破性地實現(xiàn)了哺乳動物對紅外光的意識感知。

非人靈長類動物中TeNWN植入的生物相容性、安全性和可行性驗證
研究在食蟹猴模型中驗證了TeNWN視網(wǎng)膜植入體的長期安全性和功能性。多模態(tài)影像學(xué)監(jiān)測顯示，植入體在112天內(nèi)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未引起視網(wǎng)膜層狀結(jié)構(gòu)破壞或血管異常。功能學(xué)檢測證實，植入眼不僅保留正常可見光反應(yīng)，還獲得對940nm近紅外光的電生理響應(yīng)，且信號強度隨時間增強。該研究首次在靈長類動物實現(xiàn)：
1）視網(wǎng)膜下植入物與神經(jīng)組織的長期相容性；
2）近紅外光敏感性的跨突觸傳遞。
這些發(fā)現(xiàn)將小鼠實驗成果成功推進至更接近人類的模型，為后續(xù)臨床試驗提供了關(guān)鍵的安全性及有效性依據(jù)，標志著該技術(shù)向臨床應(yīng)用邁出重要一步。

圖5. TeNWNs植入食蟹猴的眼科評估與閃光視網(wǎng)膜電圖（fEEP）記錄

(A) 植入術(shù)前及術(shù)后7/28/67/90/112天的眼底彩照、近紅外反射成像及OCT B掃描，綠線標示B掃描位置，紅箭頭標示植入位點。(B) 植入112天后吲哚菁綠血管造影時序圖像，紅箭頭標示植入?yún)^(qū)。(C) NIR-I刺激fEEP記錄示意圖。(D-E) 植入眼在暗適應(yīng)下對940 nm/635 nm刺激的fEEP響應(yīng)及非植入眼對照。(F) 植入90天后fEEP的a/b波振幅統(tǒng)計。

研究總結(jié)
本研究開發(fā)出基于碲納米線網(wǎng)絡(luò)（TeNWNs）的革命性視網(wǎng)膜假體，成功在盲鼠和靈長類動物模型中實現(xiàn)兩大突破：1）首次同時恢復(fù)可見光和近紅外視覺功能，使盲鼠獲得紅外光下的物體識別能力；2）通過零偏壓巨光電流（30A/cm²）和微創(chuàng)植入技術(shù)，解決了傳統(tǒng)假體依賴外部電源和窄譜響應(yīng)的難題。非人靈長類實驗證實其長期安全性和跨突觸信號傳遞能力。
該技術(shù)不僅為視網(wǎng)膜退行性疾病患者帶來全新治療希望，更開創(chuàng)了"超視覺感知"的新紀元，使人類首次具備擴展自然光譜感知的潛力，是神經(jīng)工程與納米技術(shù)的里程碑式融合。

參考文獻：
Wang S, Jiang C, Yu Y, et al. Tellurium nanowire retinal nanoprosthesis improves vision in models of blindness. Science. 2025 Jun 5;388(6751):eadu2987. doi: 10.1126/science.adu2987. 

想要獲取本篇文獻的老師同學(xué)們，可以拉到文末掃碼添加禮智小客服哦！