《SCIENCE ADVANCES》：Photovoltaic nanoassembly of nanowire arrays sensitized with colloidal nanocrystals for near-infrared retina photostimulation
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本研究针对现有神经光刺激技术依赖可见光、组织穿透性差及安全性不足的问题，开发了一种由ZnO NWs（纳米线）敏化AgBiS2NCs（纳米晶）的光伏纳米组装体。该器件通过优化NW形貌和NC插层结构，在低强度近红外光（<1 mW mm?2）下实现高电荷注入密度（20.96 μC cm?2），并在盲鼠视网膜模型中成功诱导RGCs（视网膜神经节细胞）重复激活，且光强度低于眼部安全阈值。该研究为下一代视觉假体和神经调控疗法提供了安全高效的解决方案。
在全球人口老龄化趋势下，视网膜退行性疾病已成为导致视力丧失的主要原因之一，预计到204年将影响约3亿人。然而，目前临床上尚无能够阻止或治愈此类疾病的有效方法。传统视网膜植入技术如Argus II和Alpha IMS因存在侵入性高、设备复杂或可见光组织穿透性有限等问题而已逐渐退出市场。近年来，光伏视网膜植入体（如PRIMA）通过将红外光转化为电信号刺激视网膜神经元，为恢复视觉功能提供了新思路。但现有硅基光伏器件在近红外波段的吸收系数较低，需要较厚的活性层（约30微米），限制了其微型化和柔性化发展。因此，开发具有高近红外响应、超薄结构且生物相容性良好的新型光电器件成为视觉修复领域的关键挑战。
本研究发表于《SCIENCE ADVANCES》，报道了一种基于氧化锌纳米线（ZnO NWs）与硫化铋银纳米晶（AgBiS2NCs）的光伏纳米组装体，能够通过近红外光实现高效、安全的视网膜神经刺激。该器件通过优化纳米线长度（240纳米）和纳米晶插层结构（80纳米覆盖层），在低光强度（<1毫瓦/平方毫米）下产生高达20.96微库仑/平方厘米的电荷注入密度，并成功在体外盲鼠视网膜模型中诱导视网膜神经节细胞（RGCs）产生重复且稳健的电生理响应。值得注意的是，所有实验均在低于眼部安全阈值的近红外光强度下完成，为下一代无线视觉假体和神经调控疗法奠定了基础。
为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：通过化学浴沉积法在氧化铟锡（ITO）基底上生长ZnO NWs阵列；采用热注射法合成AgBiS2NCs，并通过层层沉积技术将其与NWs形成异质结；利用四甲基碘化铵（TMAI）进行配体交换以增强纳米晶间的电子耦合；通过循环伏安法在ITO对电极上电沉积氧化钌（RuO2）伪电容层以提升电荷存储能力；使用光电化学测试系统（三电极体系）和膜片钳技术表征器件光电流/光电压性能；通过有限时域差分法（FDTD）模拟电磁场分布；采用微电极阵列（MEA）记录盲鼠（P23H模型）视网膜神经节细胞的电生理活动，并利用定制算法去除光刺激伪迹以精准分析神经元响应。
研究结果
器件制备与工作机制
研究团队设计了一种以ZnO NWs/AgBiS2NCs异质结作为刺激电极、RuO2作为对电极的光伏纳米组装体。通过调控NWs长度（90-350纳米）和NCs沉积周期数（对应覆盖层厚度20-140纳米），发现当NWs长度为240纳米、NCs覆盖层为80纳米时，器件在780纳米近红外光照（89毫瓦/平方厘米）下产生最高光电流密度（3.27毫安/平方厘米）和光电压（350毫伏）。透射电镜显示AgBiS2NCs平均尺寸为4.3纳米，X射线衍射证实其具有岩盐晶体结构。配体交换后，器件的电荷注入能力提升至交换前的5.8倍，表明碘离子替代长链油酸配体有效增强了纳米晶薄膜的电荷传输性能。
光电化学特性
在模拟生理环境的人工脑脊液（aCSF）中测试表明，该纳米组装体的电荷注入密度可通过光照强度和脉冲时长灵活调控。在1毫秒短脉冲刺激下，器件仍能提供2.52微库仑/平方厘米的电荷量，满足听觉脑干和丘脑底核等神经组织的刺激阈值需求。有限时域差分法模拟显示，NWs间隙处存在局域增强的电磁场，有助于提升光生载流子效率。波长响应测试发现器件在450纳米和625纳米处光电流更高，这归因于P3HT空穴传输层对蓝光的吸收以及AgBiS2NCs在短波长区具有更高振荡强度。将器件切割成2毫米×2毫米尺寸后，膜片钳映射实验证实光电流在照射区域150微米范围内衰减至峰值46%，表明其具有良好的空间选择性。
光电稳定性与生物相容性
加速老化实验（87°C过氧化氢环境模拟24个月）显示器件仍保持79%的初始性能。低温灭菌（乙醇冲洗、紫外杀菌、培养基浸泡）后电荷注入保留率达87%。经过2万次光照循环，器件性能稳定性达84%。原代海马神经元培养实验表明，与ITO对照组相比，纳米组装体上的细胞活性（CTG法）、代谢功能（MTT法）和膜完整性（LDH法）均无显著差异。免疫荧光染色（NeuN和β-III微管蛋白标记）显示神经元在器件表面可稳定存活并保持典型形态达14天。活性氧（ROS）和线粒体膜电位（JC-1探针）检测证实，近红外光刺激（780纳米，1.5毫瓦/平方毫米，1万次循环）未引起氧化应激或线粒体功能损伤。
盲鼠视网膜近红外光刺激
在P23H盲鼠视网膜外植体实验中，将纳米组装体贴合于视网膜内核层表面，通过880纳米近红外光（2.27毫瓦/平方毫米）脉冲刺激。微电极阵列记录显示，20%的活性位点对光刺激产生响应，其中10毫秒脉冲诱发的峰值发放频率最高（81.83赫兹）。短脉冲（5-10毫秒）不仅激活更多神经元单元，且响应延迟更短（13.38毫秒）。对照实验（无植入体视网膜）在相同光刺激下未观测到显著神经活动，证实响应源于光伏效应。热成像监测显示15分钟连续光照仅使器件表面温升<0.1°C，远低于安全阈值。
研究结论与意义
该研究成功构建了一种基于溶液法制备的ZnO NWs/AgBiS2NCs光伏纳米组装体，通过电容性电荷注入机制实现高效近红外神经调制。相较于传统硅基器件，该平台具有四大优势：活性层厚度仅0.5微米，利于柔性器件制备；AgBiS2NCs的高吸收系数（105cm?1）使其在近红外区保持强光捕获能力；无线操作模式避免了植入式电子设备的布线难题；所有刺激参数均符合眼部安全标准。该技术不仅为视网膜假体提供了新范式，还可拓展至心脏、肌肉和大脑等电活性组织的调控领域，展现出广阔的转化医学前景。
