基于光形变液晶聚合物的柔性拱形人工光感受器及其在视觉恢复中的应用研究

《Smart Molecules》：A flexible arched artificial photoreceptor constructed by photodeformable liquid crystal polymers and its application in vision restoration

本文报道了一种由光形变液晶聚合物（LCP）和压电材料聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）构成的柔性拱形人工光感受器，其独特结构通过应力集中效应显著增强了弱光（8 mW cm?2）下的光电响应（开路电压达17.51 V）。该器件通过光-应力-电转换机制实现像素化矩阵的复杂视觉功能模拟，并成功在盲鼠模型中通过视网膜下植入恢复视觉响应，为视网膜退行性疾病治疗提供了新型植入式器件方案。

　　

1 引言

视网膜退行性疾病（如视网膜色素变性和年龄相关性黄斑变性）患者因光感受器（视杆/视锥细胞）损伤导致严重视力障碍，而内核层神经元大多保留。传统视网膜下假体（如微电极阵列）存在布线复杂、手术侵入性强等问题。基于智能材料的光电转换型人工光感受器成为潜在替代方案，但无机材料与神经组织机械兼容性差，有机材料存在光电子电化学毒性风险。光形变材料与压电材料复合的光-应力-电转换系统可规避上述局限，其中含偶氮苯的液晶聚合物（LCP）通过介晶协同效应将分子尺度几何变化放大为宏观形变，产生显著光致应力。然而现有平面结构器件需强光（80 mW cm^?2）激发才能输出0.79 V电压，限制其弱光环境应用。压电聚合物三维结构（如拱形）可通过应力集中激活横向压电响应（d₃₁/d₃₂模式），大幅提升输出电压，为增强人工光感受器弱光响应提供新策略。

2 结果与讨论

2.1 复合材料构建与结构优化

柔性拱形人工光感受器采用四层结构：光形变层（线性液晶聚合物LLCP）、压电层（P(VDF-TrFE)）及双侧金属电极。470 nm光照下LLCP中偶氮苯发生反式-顺式异构化振荡，产生体积膨胀与光致应力，通过压电效应转换为电信号。拱形结构通过热压成型，截面SEM显示各层结合紧密无裂隙。当曲率半径≥7.5 mm时结构稳定性良好，而5 mm半径结构出现褶皱破损。有限元分析表明光致应力集中于拱形外缘，曲率半径7.5 mm时开路电压峰值达17.51 V（光照8 mW cm^?2），较平面结构提升21倍且光强降至1/10。

2.2 光电响应性能

开路电压与短路电流在0.5–25 mW cm^?2光强范围内呈线性增长，25 mW cm^?2时电压达40.96 V，媲美已报道聚合物视网膜假体在100 mW cm^?2下的输出。红外热成像排除光热效应干扰（100 mW cm^?2升温仅4.1°C）。压电层厚度40 μm时极化效率最优，电极尺寸不影响电荷密度，利于器件微型化。疲劳测试显示500次循环后电压稳定性良好，12个月内性能无衰减。

2.3 复杂视觉功能模拟

3×3像素化矩阵通过电压梯度识别光源方向，10×10矩阵结合光栅与滤光片实现“FISH”多灰度图案识别。通过光掩模编码ASCII信息，器件成功解码“THANK YOU!”文本，模拟人类视觉信息处理流程。矩阵内像素串扰低于三个数量级，保障功能准确性。

2.4 生物相容性与视觉恢复评估

人脐静脉内皮细胞（HUVEC）在LLCP与P(VDF-TrFE)表面增殖及细胞骨架形态正常，生理盐水浸泡1个月后材料化学结构稳定。碘酸钠致盲SD大鼠视网膜下植入器件（3 mm×1 mm×60 μm）后，光学相干断层扫描（OCT）显示植入体位置稳定无炎症。视觉诱发电位（VEP）检测表明植入眼响应电压（73.15 μV）显著高于对照眼（36.89 μV）。明暗箱实验中植入盲鼠进入暗箱潜伏期缩短（12.00 s vs. 170.88 s），黑暗停留时间延长，证明其光感知能力恢复。

3 结论

拱形结构通过应力集中效应显著提升LCP/P(VDF-TrFE)复合材料的光电转换效率，使人工光感受器在弱光下输出神经元可读电信号。像素化矩阵实现方向感知、图案识别及信息解码等高级视觉功能，结合优良生物相容性与长期稳定性，为视网膜退行性疾病治疗提供新型植入式器件解决方案。

4 实验方法

器件通过磁控溅射电极、高压极化（75 MV m^?1）及热压成型制备。细胞实验采用HUVEC培养与荧光染色，动物实验通过尾静脉注射碘酸钠构建盲鼠模型，子视网膜植入后通过VEP和明暗箱行为学评估视觉功能恢复。