Nature Electronics | 韩国延世大学新研究：一种可同时感知可见光与近红外的可植入式视网膜外层器件

人类视觉的“光谱边界”是由进化设定的。视蛋白的光吸收特性决定了我们只能感知400–700纳米的可见光。近红外波段（如900纳米）的光子能量更低，若要感知它，需要更低能垒的视蛋白——但这会带来极高的热噪声，使得近红外视觉在生物进化上“不划算”。因此，迄今为止，没有任何哺乳动物具备感知700纳米以上光线的天然能力。

然而，失明人群的需求改变了这一问题的优先级。

在视网膜疾病（如色素性视网膜炎、年龄相关性黄斑变性）中，外层的光感受器细胞逐渐退化，但内层的神经节细胞和双极细胞往往仍然完好。这意味着：如果能绕过退化的光感受器，直接用电子器件刺激存活的神经元，就有可能恢复视觉功能。

现有的视网膜假体（如Argus II）采用的是电刺激阵列，但其问题显而易见：刚性电极与柔软视网膜之间的机械失配（杨氏模量相差3个数量级以上），容易造成组织损伤；而且它们通常只提供单一的人工视觉通道，无法与患者残余的自然视觉共存。

更关键的是，这些器件大多仍工作在可见光波段，而可见光本身就正是退化光感受器“失灵”的波段——这就像在一个已经坏掉的收音机上继续调频，方向本身就值得商榷。

这项研究的核心贡献，可以用一句话概括：在不干扰可见光感知的前提下，为视网膜增加一个近红外通道。

图1 | 近红外感知人工视网膜。

实现这一目标，需要同时解决三个工程问题：光谱分离、柔性电荷注入、以及共存式器件架构。

研究团队设计了一个由非晶硅和二氧化硅交替堆叠的7层滤光片，总厚度仅360纳米。其光学设计基于Herpin等效折射率，中心波长设在520 nm。实测表明：

• 可见光波段（440–600 nm）被有效阻断；

• 900 nm附近的近红外光可以透过，到达下方的光电晶体管。

这意味着：可见光只能通过滤光片之间的间隙（间距40微米）到达天然光感受器，而近红外光则专门驱动电子通道。两者在空间上被编码在同一器件中，互不干扰。

器件采用单晶硅沟道（厚度1.5微米）的场效应晶体管结构，在900 nm近红外照射下，漏极电流随光强线性变化（0–1.2 mW/cm²），响应/恢复时间均为10 ms。

关键参数：

• 迁移率：166 cm²/V·s

• 开关比：4.41×10⁶

• 阈值电压：4.08 V

该性能足以产生1–20 µA的刺激电流，恰好落在视网膜神经元有效响应区间内。

这是整个器件在生物机械匹配上的最大亮点。

传统刚性电极（如铂、金、碳）的杨氏模量在GPa级别，而视网膜组织仅为数百kPa。这种差异会导致微动损伤和胶质疤痕形成。本研究采用液态金属EGaIn（镓铟合金）打印出直径20 µm、高60 µm的3D微柱电极，其有效杨氏模量仅236 kPa，与巩膜、角膜和视网膜组织相当。

在电化学性能上：

• 1 kHz阻抗：210 kΩ（电极面积32.1 µm²）

• 阴极电荷存储容量：34.28 mC/cm²

• 电荷注入容量：9.35 mC/cm²

• 加速老化10天（模拟生理条件下约10个月）：阻抗仅从234.6 kΩ升至253.6 kΩ，电荷注入容量基本稳定

图2 | 光电和电化学特性。

铂纳米团簇仅沉积在电极尖端，进一步降低了阻抗，并将电场聚焦在尖端，比平面电极刺激效率更高。

研究团队分别取健康小鼠（C57BL/6J）和视网膜退行性小鼠（rd1）的离体视网膜组织（4×4 mm），直接放置在器件上，使3D液态金属电极朝向神经节细胞层。

图3 | 视网膜反应的体外评估

在器件不工作的情况下：

• 健康视网膜对可见光（470 nm）产生92 µV的响应；

• 对近红外（900 nm）几乎无响应。

在器件工作的情况下：

• 健康视网膜对近红外产生86 µV的电诱发电位，与可见光下的自然响应（88 µV）几乎相同；

• 盲鼠视网膜在近红外照射下也产生了类似的电活动，且发放率随光强增加而增加（0–1.2 mW/cm²）。

结论：该器件能够将近红外输入转化为与天然可见光响应相当的神经活动，且健康与盲鼠之间的发放率无显著差异——因为两者都对近红外没有天然响应，都依赖人工刺激。

在活体小鼠中，研究团队同时植入视网膜器件和脑深部探针（靶向初级视觉皮层V1第4层，该层信号最强）。

图4 | 体内诱导RD1和WT小鼠的近红外视力。

• 盲鼠（rd1）：光感受器已完全退化。不开启器件时，无论可见光还是近红外，均无皮层响应。开启器件后，仅在近红外照射时出现显著的皮层发放活动。

• 健康鼠（WT）：开启器件后，对可见光和近红外均产生稳健的皮层响应，且两者发放率相当。

更关键的是行为学实验：在水限制条件下，小鼠被训练将光脉冲与水奖励关联。结果显示：

• 植入器件的盲鼠对近红外提示产生明显的预期舔水行为，且舔水率随近红外光强增加而增加；

• 未植入器件的对照鼠对近红外无任何行为反应；

• 植入器件的健康鼠对可见光和近红外均产生行为反应。

这证明：该器件不仅产生了电生理信号，而且真正被小鼠感知并用于指导行为。

这项技术的直接目标人群是光感受器退行性失明患者（如晚期色素性视网膜炎）。他们的内层视网膜（神经节细胞、双极细胞）仍然完好，是电刺激的理想靶点。

与现有视网膜假体相比，这套方案有三个显著差异：

1. 光谱分离：不干扰残余自然视觉。临床研究已表明，AMD患者可以同时使用假体中心视觉和自然周边视觉，本文的设计将这一理念推向了更精细的波长层面。

2. 机械匹配：液态金属电极的低模量大幅降低了长期植入的组织损伤风险。6个月的组织学分析未发现胶质增生或微胶质激活。

3. 近红外通道：在暗环境下，患者可以通过外部近红外光源“看见”环境，而无需依赖可见光——这对于夜盲症患者尤其有价值。

目前仍处于动物模型验证阶段（小鼠）。进入人体临床试验之前，还需要解决以下几个关键问题：

• 长期稳定性：10天加速老化测试相当于约10个月，但人体植入需要数年乃至数十年的可靠性。液态金属在长期电化学环境中的稳定性仍需进一步验证。

• 器件微型化与功耗：当前器件采用单晶硅沟道，仍有一定刚性。未来可替换为柔性、高近红外响应的半导体纳米材料，进一步降低功耗、增强结构柔顺性。

• 背景噪声抑制：太阳光中也有近红外成分。研究团队提出了多层光学滤波策略（频率滤波、带宽调谐、角度选择性），可将透射峰控制在950–1050 nm窄带内，并在入射角超过10°时将透射率降至0.5以下。这些设计需要在真实户外环境中验证其抗干扰能力。

作者在论文末尾指出：通过改变光电晶体管的沟道材料或滤光片结构，这套机制可以扩展到紫外或其他波段。这意味着，“人造光谱扩展”可能成为一个通用技术平台——不仅仅是恢复失去的功能，而是赋予生物体原本不具备的感知能力。

这篇论文的技术完成度很高：从材料表征、离体电生理、在体皮层记录到行为学验证，证据链条完整。影响因子40.9和Nature Electronics的刊发也印证了其学术价值。

但我们需要警惕几个容易被忽略的问题：

第一，小鼠与人类视网膜的尺度差异。 小鼠眼球直径约3 mm，人类约24 mm。电极高度（60 µm）在小鼠中恰好到达神经节细胞层，但在人类视网膜中，这一距离会显著不同。器件结构需要重新优化，而这可能影响其电荷注入效率和选择性刺激能力。

第二，行为学实验的时间尺度。 研究中的行为测试是在短期内完成的。长期植入后，组织是否会形成纤维包裹？液态金属是否会泄漏？铂纳米团簇是否会脱落？这些问题需要更长时间的动物实验来回答。

第三，伦理与“增强”的边界。 这项技术本质上是感官增强，而不仅仅是医疗修复。如果它能安全地让健康人也获得近红外视觉，那么我们是否应该允许？这类讨论在脑机接口和感官替代领域已经存在，而本文的进展将使其更加紧迫。