视觉是人类最重要的感官,视网膜在视觉形成中的作用不容忽视:当光照射在视网膜的感光细胞上,细胞能将入射的可见电磁辐射转化为电信号。然后,视神经通路将信息传到视觉中枢形成视觉,进而在我们的头脑中形成图像。目前世界上的盲人约有3000万,如果用人工光感受器代替天然视网膜,对视神经产生电脉冲,则视觉功能可有望得以恢复。构建高分辨柔性人工视网膜系统,实现视神经准确对应是现代生物医学面临的重大挑战。传统恢复视觉的方法是通过植入金属微电极输入电信号刺激残留的视神经;植入电极不仅与生物组织不相容,增加了手术难度,也给视障患者带来了经济负担。天然视网膜有上亿神经细胞以复杂的方式连在一起。为了实现高分辨率,植入的人工视网膜应具有与天然感光细胞相当的光学传感和神经信号转导单元。本论文设计了基于光电响应聚合物微阵列的人工视网膜,它具有比神经元尺寸更小的光电信号转导单元。利用微加工技术,我们制备了光感受器阵列,每个感光单元为微米尺寸的金字塔结构,其中的共轭高分子和PCBM构成的半导体异质结以光致电荷转移原理实现光电转换。此外,由于叶酸在眼睛发育过程中起重要的作用,且神经细胞高度表达叶酸受体,我们特别对光电响应高分子进行了叶酸修饰,经过特殊设计的人工视网膜可以通过神经细胞膜表面受体的识别及接触面积的增加增强神经刺激的效果。最终,我们通过外路手术把人工视网膜植入盲鼠视网膜下腔,术后盲鼠光敏功能恢复情况良好。我们的工作展示了光电材料可以有效刺激视神经活动,为光激活神经元实现视神经准确对应和构建高分辨柔性人工视网膜系统提供了新的思路。本论文主要研究内容概括如下:1、首先,我们将聚噻吩衍生物作为主要功能材料,构建光电转换器件,利用该器件进行多方面的视觉响应功能模拟。为了使其更加符合神经细胞刺激和精确信号转导的需要,我们不仅采用微结构加工的技术对人工视网膜的表面形貌进行周期性点阵结构的设计,而且使用叶酸对其进行修饰,多角度协同提升人工视网膜对神经的刺激效果。2、我们利用电子给体-受体异质结原理构建光电转换器件对其光电性能进行测试。研究发现,蓝光转换出的电信号可达百毫伏,满足神经刺激所需;对频闪可见光的及时响应也进一步验证了器件光电转换的快速性和灵敏性。通过浇铸的方法将模板的阵列图案转移至人工视网膜上,得到感光单元尺寸仅为3μm的周期性阵点,实现了单个神经细胞同时与多个感光点接触的目标,有利于人工视网膜与神经细胞之间进行精准的信息交流。值得一提的是,不同培养条件以及强弱光刺激之下,细胞均维持较好的生长发育状态。3、我们将神经细胞与人工视网膜共同培养,并对人工视网膜施加光照希望其可以将光信号转换为电信号进而刺激神经细胞。使用共聚焦激光扫描显微镜实时观测细胞内钙离子荧光探针的发光强度,结果显示,在人工视网膜提供的光电刺激下,神经细胞与周围环境发生了信息的交流。进一步缩小光斑以刺激单个神经细胞,接受光照的细胞发生明显的钙离子内流,说明单个神经细胞可以被人工视网膜的单个像素点激活,构建的人工视网膜具备较高的分辨率。4、为证明我们构建的人工视网膜确实影响了神经细胞的生理活动,我们还对其突触素表达水平进行了检测。这是由于钙离子浓度的增强仅是表观结果,细胞内部生化因子的表达才能更为直接地确定人工视网膜对其发育产生的实质性长久影响。另外,视网膜神经元层的突触结构决定了视觉功能,突触素是神经信号传递过程的重要因子,因此,对突触素的检测可更真实地反映人工视网膜对神经细胞的生理贡献。研究发现,和人工视网膜共培养过的神经细胞胞内突触素表达上调显著,这说明我们构建的人工视网膜具有调节神经细胞的功能。5、最后,我们通过巩膜外手术的方法把人工视网膜植入盲鼠视网膜下腔,以此取代光感受器。眼底光学成像验证了其生物安全性和长期稳定性,视觉电生理即视觉诱发电位（VEP）以及瞳孔对光线反射（PLR）信号的增强证明人工视网膜实现了对神经的刺激和盲鼠视觉系统功能的恢复。该光电响应体系为实现高分辨率人工视觉系统和脑-机接口技术等提供了新的思路。