人造視網膜設備的製作方法

2023-06-07 00:11:46 3

專利名稱：人造視網膜設備的製作方法
人造視網膜設備相關申請的交叉引用本申請要求印度專利申請N0.1822/CHE/2010的優先權，該專利於2010年6月28日提交，通過引用將其整體併入本文。
背景技術：
提供以下的描述以協助讀者理解。所提供的任何信息或所引用的參考不被承認是現有技術。當視網膜接收到光時，在視網膜的層內發生複雜的信號處理。視覺信號以電「尖峰信號」的形式對信息進行編碼。這些電「尖峰信號」實際上是從神經節細胞經由視神經發送到大腦中的視覺皮質的電化學信號。在一些與視力有關的疾病中，視網膜的包括感光器的外層失去其功能。然而，視網膜的內層在解剖學上仍保持不變並且在功能上完整無缺。在使用微光電二極體陣列和圖樣化的激勵電極來作為人造視網膜設備上已經取得了進步。這種人造視網膜設備被設計用來處理與視力有關的各種疾病(例如色素性視網膜炎(retinal pigmentosa)和黃斑變性)，或者用來增強正常視力。然而，已知的人造視網膜設備涉及基於無機材料(例如矽或鉬/銥氧化物塗敷的襯底)的常規電子技術。這種設備是非生物相容的或非生物穩定的，並從而在移植入人眼方面涉及嚴重的缺陷。與傳統人造視網膜設備相關聯的缺陷有很多。由於設備與人體組織在移植/組織分界面處的機械不相容，已知這種設備在活體(in-vivo)情況下產生嚴重的神經膠質變性(gliosis)和其他的併發症。此外，這種設備需要生物相容的電極來與人體組織進行界面連接，以及需要視頻晶片來處理信號。這種設備還需要外部電源，可以經由射頻信號或脈衝能量系統來提供該外部電源。此外，雖然在很多領域(例如，材料、製造、能量供給、包裝等)中有了眾多的進步，傳統的人造視網膜設備有著較低的視敏度。例如，傳統的設備已允許最大僅20/100的視力。

發明內容
本技術提供了說明性的人造視網膜設備，該人造視網膜設備包括襯底和在襯底上形成的微電極陣列。人造視網膜設備還包括在所述微電極陣列上沉積的光導性聚合物混合物。光導性聚合物混合物被配置為響應於接收到光來產生被激發的電荷載流子。說明性的人造視網膜設備還可以包括微電極陣列中的至少一個電極與光導性聚合物混合物之間的分界面，以使得分界面被配置為累積被激發的電荷載流子並產生相對於地的電壓改變。在一個實施例中，地是電解質層的電解質。可以在光導性聚合物混合物上形成電解質層，其中，地包括電解質層。電解質層可以是鹽溶液或凝膠之一。在一個備選實施例中，地可以是微電極陣列中的另一電極。說明性的人造視網膜設備中的微電極陣列可以與神經元相鄰，以使得微電極陣列向神經兀傳送與電壓改變相對應的電信號。微電極陣列中的電極可以包括導電聚合物，例如，聚(3，4-亞乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸鹽)(PED0T:PSS)。
說明性的人造視網膜設備中的襯底可以是柔性的，並且可以包括玻璃、塑料或生物相容的複合物。光導性聚合物混合物可以包括聚噻吩或聚對苯撐亞乙烯基衍生物中的至少之一。在一個實施例中，光導性聚合物混合物可以是P3HT (聚3-己基噻吩)-PCBM。光導性聚合物混合物可以是透明或半透明的。在一個實施例中，光導性聚合物混合物包括對光譜中的相應波長敏感的一個或多個像素。該一個或多個像素可以具有不同成分的光導性聚合物，或者可以具有不同厚度的光導性聚合物混合物。在一個實施例中，像素被配置為檢測兩種顏色中的一種，並傳送電信號，該電信號包括響應於檢測到相應顏色的正和負尖峰信號。說明性的人造視網膜設備可以具有若干幾何結構。例如，微電極陣列可以被直接沉積在襯底上，並且實質上被光導性聚合物混合物包圍。此外，導電聚合物可以位於襯底與光導性聚合物混合物之間。說明性的人造視網膜設備還可以包括位於襯底與光導性聚合物混合物之間的電解質層。此外，微電極陣列和光導性聚合物混合物可以位於電解質與襯底之間。本技術還提供製造人造視網膜設備的說明性方法。該方法包括在襯底上形成微電極陣列並在微電極陣列上塗上光導性聚合物混合物。光導性聚合物混合物被配置為響應於接收到光來產生被激發的電荷載流子。在一個實施例中，在襯底上形成微電極陣列包括在圖樣化電極上旋轉塗覆聚(3，4-亞乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸鹽)(PED0T:PSS)，圖樣化電極包括銦錫氧化物或塗敷了鉬或氮化矽的玻璃。說明性的方法還可以包括加熱微電極陣列，以提高PED0T:PSS對圖樣化電極的粘附。在一個實施例中，塗上光導性聚合物可以包括在微電極陣列中的至少一個電極與光導性聚合物混合物之間形成分界面。該分界面被配置為累積被激發的電荷載流子並產生相對於地的電壓改變。該 方法還可以包括在襯底上形成電解質層。在一個實施例中，地是電解質層。在一個備選實施例中，地可以是微電極陣列中的另一電極。襯底可以是柔性襯底，包括玻璃、塑料或生物相容的複合物，以及光導性聚合物混合物可以包括聚噻吩或聚對苯撐亞乙烯基衍生物。在一個實施例中，在微電極陣列上塗上光導性聚合物混合物包括形成光導性聚合物混合物的一個或多個對光譜中的相應波長敏感的像素。形成光導性聚合物混合物的一個或多個像素可以包括形成具有不同成分的光導性聚合物的一個或多個像素，或者形成具有不同厚度的光導性聚合物混合物的一個或多個像素。在另一實施例中，在微電極陣列上塗上光導性聚合物混合物包括將微電極陣列實質上包圍在光導性聚合物混合物內。說明性的方法還可以包括在光導性聚合物混合物上形成電解質層，以使得微電極陣列和光導性聚合物混合物位於電解質與襯底之間。本技術還提供製造人造視網膜設備的說明性方法，該方法包括在襯底上形成地層和在地層上形成光導性聚合物混合物。該方法還包括:與光導性聚合物混合物相鄰地沉積微電極陣列。光導性聚合物混合物被配置為響應於接收到光來產生被激發的電荷載流子。在一個實施例中，微電極陣列可以完全由導電聚合物形成，例如，聚(3，4-亞乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸鹽)(PED0T:PSS)。在另一實施例中，與光導性聚合物混合物相鄰地沉積微電極陣列包括在微電極陣列中的電極與光導性聚合物混合物之間形成分界面。該分界面被配置為累積被激發的電荷載流子並產生相對於地的電壓改變。地層可以包括導電聚合物或電解質。此外，形成光導性聚合物混合物可以包括形成光導性聚合物混合物的對光譜中的相應波長敏感的一個或多個像素。形成光導性聚合物混合物的一個或多個像素可以包括形成具有不同成分的光導性聚合物的一個或多個像素，或者形成具有不同厚度的光導性聚合物混合物的一個或多個像素。以上發明內容僅僅是說明性的，而絕不是限制性的。除了上述示例性的各方案、各實施例和各特徵之外，參照附圖和以下詳細說明，將清楚其他方案、其他實施例和其他特徵。


根據以下說明和所附權利要求，結合附圖，本公開的前述和其他特徵將更加清楚。在認識到這些附圖僅僅示出了根據本公開的一些實施例且因此不應被認為是限制本公開範圍的前提下，通過使用附圖以額外的特徵和細節來詳細描述本公開。圖1a和Ic示出了根據說明性的實施例的基於有機材料的人造視網膜設備的橫截面視圖，該人造視網膜設備具有第一和第二幾何結構。圖1b示出了根據說明性的實施例的被配置用於二色檢測的設備的光導性聚合物混合物的輸出響應。圖2a和2b示出了根據說明性實施例的基於有機材料的人造視網膜設備的橫截面視圖，該人造視網膜設備具有第三和第四幾何結構。圖3示出了根據說明性實施例的基於有機材料的人造視網膜設備的橫截面視圖，該人造視網膜設備具有第五 幾何結構。

圖4示出了根據說明性實施例的基於有機材料的人造視網膜設備的頂視圖。圖5是根據說明性實施例的基於有機材料的人造視網膜設備在患者眼睛內的視網膜下(sub-retinal)和視網膜上(ep1-retinal)放置的示意。圖6示出了根據說明性實施例的用於製造圖la、Ic和3的基於有機材料的人造視網膜設備的方法。圖7示出了根據說明性實施例的用於製造圖2a和2b的基於有機材料的人造視網膜設備的方法。圖8a和Sb示出了根據說明性實施例的普通哺乳動物視網膜的輸出響應。圖9a、9b和9c示出了根據說明性實施例的本技術的基於有機材料的人造視網膜設備的輸出。
具體實施例方式在以下詳細說明中，參考了作為詳細說明的一部分的附圖。在附圖中，類似符號通常表示類似部件，除非上下文另行指明。
具體實施方式
部分、附圖和權利要求書中記載的示例性實施例並不是限制性的。在不脫離在此所呈現主題的精神或範圍的情況下，可以利用其他實施例，且可以進行其他改變。應當理解，在此一般性記載以及附圖中圖示的本公開的各方案可以按照在此明確公開的多種不同配置來設置、替換、組合和設計。
存在與傳統人造視網膜設備相關聯的各種問題。它們包括但不限於這種設備與生物組織的一般性不相容。傳統人造視網膜設備由與生物組織不相容的無機材料製成，從而導致了眾多的併發症，這些併發症是由設備與組織在移植/組織分界面處的不相容而出現的。本文描述了改進的基於有機材料的人造視網膜設備，其包括光導性的半導體聚合物來作為活性介質(active media)。活性介質的聚合物特性允許利用聚合物機械屬性的優點。這種設備與多數的緩衝溶液和生物組織相容並且是光電穩定的。圖1a示出了根據說明性實施例的基於有機材料的人造視網膜設備100的橫截面視圖，該人造視網膜設備100具有第一幾何結構。這種設備可被配置用於眼睛中的視網膜下放置，以使得電極陣列與相關的細胞(例如神經元，如感光細胞)進行電接觸。人造視網膜設備100包括在光導性聚合物混合物120上形成的微電極110的陣列。微電極110可以包括本領域技術人員已知的任何導電材料。例如，微電極110可以包括鉬或者導電性的透明材料(例如，銦錫氧化物)。在一個備選實施例中，微電極110可以包括透明或半透明的導電聚合物，例如聚(3，4_亞乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸鹽)(PED0T:PSS)，該導電聚合物是在襯底(例如玻璃、塑料、生物相容的複合物或者本領域技術人員已知的任何其他襯底材料)上形成的。在一個實施例中，各個微電極110完全由導電聚合物(例如，PEDOT:PSS)製成，從而允許在沒有任何金屬或金屬氧化物的情況下形成人造視網膜設備100。
人造視網膜設備100還包括在微電極110的陣列下方形成的光導性聚合物混合物120。光導性聚合物混合物120可以包括聚(3-己基噻吩)P3HT、作為供體聚合物的其他聚噻吩或聚對苯撐亞乙烯基衍生物、苯基-C61- 丁酸甲酯(PCBM)、分子或聚合物形式的作為受體的萘或二萘嵌苯二醯亞胺衍生物，或者本領域技術人員已知的能夠對電荷載流子進行充分光激發的任何其他光導性聚合物混合物120。示例萘或二萘嵌苯二醯亞胺衍生物可以包括聚{[N，N'-雙(2-辛基十二烷基)-萘-1，4，5，8-雙(二羧醯亞胺)-2，6_ 二基]-交替-5，5' -(2,2'-聯噻吩)} (P(NDI20D-T2):Polyera ActivInkN2200)、N，N' - 二嘧啶基-3，4，9，10-二萘嵌苯-四羧基二醯亞胺(DMP)或N-(1-壬基癸基)二萘嵌苯_3，4，9，10-四羧基_3，4-酸酐-9，10-醯亞胺)。在一個實施例中，光導性聚合物混合物120可以是透明或半透明的。光導性聚合物混合物120包括通過光激發來對光進行響應的電荷載流子。當在光導性聚合物混合物120處接收到光時，如下進一步描述的，由於吸收了光子，光導性聚合物混合物120內的電荷載流子(例如，電子)變為被激發的。被激發的電荷載流子的移動導致電荷載流子在微電極110與光導性聚合物混合物120之間的分界面處累積。進而，微電極110與光導性聚合物混合物120之間的分界面處的電荷載流子的累積將導致微電極110與地之間的電壓改變，與眼睛相關聯的細胞(例如神經元，如感光細胞)感測到該電壓改變。人造視網膜設備100還包括電解質130。電解質130擔當反接地電極，並且擔當對來自光導性聚合物混合物120的電荷的接收者。由此，可以在電解質130與微電極110之間建立電勢。電解質130可以包括鹽溶液、凝膠或者本領域技術人員已知的任何其他電解質。人造視網膜設備100還包括襯底140，在襯底140上形成微電極110的陣列、光導性聚合物混合物120和/或電解質130。在圖1a中，在襯底140上直接形成電解質130，在電解質130上形成光導性聚合物混合物120，以及在光導性聚合物混合物120上直接形成微電極110的陣列。襯底140可以包括玻璃、塑料、生物相容的複合物或者本領域技術人員已知的能夠在人造視網膜設備100中使用的任何其他襯底材料。在一個實施例中，襯底140是柔性的，從而允許將人造視網膜設備100安全並舒適地放在患者的眼睛中。在一個備選實施例中，如下關於圖2a和2b所描述的，可以將微電極陣列直接形成在襯底上，並從而在微電極陣列上和周圍形成光導性聚合物混合物，以及可以在光導性聚合物混合物上形成電解質。如上討論的，在接收到光時，光導性聚合物混合物120內的電荷載流子由於吸收光子而變為被激發的。光導性聚合物混合物內的聚合物的組合模仿了視網膜(視黃醛、維生素A乙醛)。人造視網膜設備100的光導性聚合物混合物120展現出入射光生成和電荷載流子的移動。光子的吸收區域性地激勵了光導性聚合物混合物120，即，在光導性聚合物混合物120接收光的區域中形成被激發的電荷載流子。被激發的電荷載流子的移動導致被激發的電荷載流子在光導性聚合物混合物120被激勵的區域與對應的微電極110之間的分界面處累積，該對應的微電極110與光導性聚合物混合物120被激勵的區域相鄰。這進而導致在該相應的微電極110與地之間形成電勢。在一個實施例中，地可以是微電極110中的陣列的另一微電極。在一個備選實施例中，地是緩衝溶液，例如與光導性聚合物混合物120相鄰的電解質130。由與眼睛相關聯或者臨近人造視網膜設備100的細胞(例如神經元，如感光細胞(例如杆狀狀胞、視錐細胞等))「感測」微電極110與地之間的電勢/電壓改變。在備選實施例中，神經元是神經節細胞。因此，微電極110刺激與眼睛相關聯或者臨近人造視網膜設備100的感光細胞，從而最終基於在光導性聚合物混合物120的各個區域內接收到的光，向感光細胞提供適合的電信號。作為在微電極110處響應於接收到的光的電勢改變的結果，感光細胞接收對在眼睛的正常視覺感光層中將會接收到的信號尖峰進行模仿的信號。人造視網膜設備100被配置為檢測可見頻譜中的光。在備選實施例中，人造視網膜設備100還可以被配置為檢測電磁頻譜的紅外區域中的光。根據說明性的實施例，光導性聚合物混合物120包括對光譜中的不同波長敏感的不同成分。可以將光導性聚合物混合物120選擇性地像素化，以使得各個像素對光譜中的不同波長敏感，而不是在設備上有單個連續的成分。例如，可以使用聚對苯撐來檢測黃顏色，可以使用聚氟來檢測藍顏色，以及可以使用聚(3-己基噻吩衍)生物來檢測綠顏色和紅顏色。在備選實施例中，不同厚度的光導性聚合物混合物120可能對光譜中的不同波長敏感。光導性聚合物混合物120的厚度範圍可以從0.1微米到50微米。在一個實施例中，使用厚度大於I微米的光導性聚合物混合物來檢測紅光，而使用厚度小於200nm的光導性聚合物混合物來檢測藍光或綠光。因此，可以對光導性聚合物混合物120進行像素化，以使得不同的像素具有不同厚度的光導性聚合物混合物。由此，不同的像素將對光的不同波長的光敏感。進而，像素與微電極陣列110中的一個或多個電極相關聯。在一個實施 例中，人造視網膜設備100還可以被配置用於根據二色檢測方案的顏色對比，該二色檢測方案使用具有統一成分和厚度的光導性聚合物混合物。根據這種實施例，光導性聚合物混合物的統一成分具有給定的厚度，這將分別響應於接收到第一顏色或第二顏色的光來產生正或負尖峰信號形式的電信號。例如，當在具有特性厚度的光導性聚合物混合物處接收到紅光時，將生成具有負尖峰的電信號。相反，當在具有相同特性厚度的相同光導性聚合物混合物處接收到藍光時，將生成具有正尖峰的電信號。因此，可以基於所生成的電尖峰信號的極性來區分紅顏色和藍顏色。圖1b示出了根據說明性的實施例的被配置用於二色檢測的設備的光導性聚合物混合物所生成的輸出響應。將與圖1b相關聯的設備配置為檢測兩種顏色中的一種。兩種顏色是紅色(例如，波長大約是650nm的光)和藍色(例如，波長大約是470nm的光)，然而可以使用任意兩種光，取決於所選擇的光導性聚合物混合物120的像素的厚度，這在之前的段中進行了討論。該設備包括厚度在250nm至300nm之間的光導性聚合物混合物，該光導性聚合物混合物包括比率為1:1的聚(3-己基噻吩)和受體聚合物的混合物。將光導性聚合物混合物溶解在氯苯中，並流延在銦錫氧化物上，在此，將該光導性聚合物混合物在80°C固化。使用氯化鉀溶液來作為電解質，並且使用塗敷了鉬的玻璃來作為反電極。該設備包括大約12_2的活性表面區域。發光二極體被用作光源，並由功能生成器進行驅動。

如圖1b所示意的，響應於該設備接收到藍光(即，波長大約是470mm的光)，初始產生正極性的電尖峰信號。相反，與響應於接收到藍光而生成的電尖峰信號的極性相比，紅光(即，波長大約是650nm的光)導致生成極性相反的電尖峰信號。例如，響應於該設備接收到持續時間為0.05秒的紅光脈衝，初始生成負極性的電尖峰信號。因此，這種設備用於生成相反極性的電尖峰信號，這允許區分紅色和藍色波長光。應該注意到，當被修改為具有厚度大得多或小得多(例如，厚度小於200nm或者大於500nm)的光導性聚合物混合物時，上述的設備不響應於接收紅色光和藍色光而分別展現出相反的極性。當關閉0.05秒長的光脈衝時，出現針對每種顏色的第二尖峰信號。如圖1b中示意的，與關閉紅色和藍色光脈衝相關聯的第二尖峰信號具有相反的極性。在備選實施例中，可以將上述的二色檢測方案與不同於人造視網膜設備100的設備一起採用，以區分兩種顏色並生成圖像。例如，相機或本領域技術人員已知的其他成像設備可以採用二色檢測方案。這種設備可以包括一個或多個電極，該一個或多個電極被配置為檢測和區分響應於光的接收而由光導性聚合物混合物產生的電信號的極性。這種設備還可以包括處理器，處理器被配置為接收並翻譯正和負的尖峰信號，以區分兩種顏色。還可以將處理器配置為基於電信號的尖峰的極性來生成具有顏色對比度的圖像。在一個實施例中，該設備還可以包括顯示器，顯示器被配置為顯示所生成的圖像。根據下面關於圖lc、2a、2b和3描述的各種實施例，人造視網膜設備100可以具有很多備選配置/幾何結構。例如，可以使用微電極110的陣列中的一個電極作為地來側向地創建電勢。備選地，在橫向幾何結構中，可以用緩衝溶液(例如可以擔當地的電解質130)來塗敷光導性聚合物混合物120。雖然來自與採用電極作為地的設備相關聯的設備的電勢是由電荷載流子在光導性聚合物混合物120的聚合物網絡上傳輸而引起的，但採用橫向幾何結構的設備由於從光導性聚合物混合物12至電解質130或反之的電荷轉移而生成信號。圖1c示出了根據說明性實施例的本技術的另一基於有機材料的人造視網膜設備150的橫截面視圖，該人造視網膜設備150具有第二幾何結構。圖1c的設備被配置用於眼睛內的視網膜上放置。圖1c的人造視網膜設備150包括襯底190，在襯底190上形成電解質180。在電解質180上形成光導性聚合物混合物170。在光導性聚合物混合物170上形成微電極160的陣列。根據這種配置，電解質180再次被配置為地。
如上討論的，在接收到光時，光導性聚合物混合物170內的電荷載流子由於吸收光子而變為被激發的。光子的吸收區域性地激勵了光導性聚合物混合物170，即，在光導性聚合物混合物170接收光的區域中形成被激發的電荷載流子。被激發的電荷載流子的移動導致被激發的電荷載流子在光導性聚合物混合物170被激勵的區域與對應的微電極160之間的分界面處累積，該對應的微電極160與光導性聚合物混合物170被激勵的區域相鄰。這進而導致在該相應的微電極160與擔當地的電解質180之間形成電勢。微電極160與電解質180之間的電勢/電壓改變被神經節細胞「感測」。因此，微電極160刺激與眼睛相關聯或者臨近人造視網膜設備150的神經節細胞，從而最終基於在光導性聚合物混合物170的各個區域內接收到的光，向神經節細胞提供適合的電信號。作為在微電極160處響應於接收到的光的電勢改變的結果，神經節細胞接收對從眼睛的正常視覺感光層中將會接收到的信號尖峰進行模仿的信號。圖2a示出了根據說明性實施例的本技術的基於有機材料的人造視網膜設備200的橫截面視圖，該人造視網膜設備200具有第三幾何結構。圖2a的設備被配置用於眼睛內的視網膜下放置。圖2a的人造視網膜設備200包括在襯底240上形成的微電極210的陣列。光導性聚合物混合物220實質上包圍微電極210的陣列，以使得除了微電極210中與襯底240相鄰的部分之外，微電極310被光導性聚合物混合物220所圍繞。在光導性聚合物混合物220上形成電解質230。因此，電解質230被配置為地。人造視網膜設備200從而被配置為在微電極210與電解質230 (擔當地)之間產生電勢/電壓差，該電勢/電壓差被與眼睛相關聯或臨近人造視網膜設備200的感光細胞接收到。因此，微電極210刺激與眼睛相關聯或者臨近人造視網膜設備200的感光細胞，從而最終基於在光導性聚合物混合物220的各種區域內接收到的光，向感光細胞提供適合的電信號。圖2b示出了根據說明性實施例的本技術的另一基於有機材料的人造視網膜設備250的橫截面視圖，該人造視網膜設備250具有第四幾何結構。人造視網膜設備250包括在襯底290上形成的微電極260的陣列。光導性聚合物混合物270實質上包圍微電極260的陣列，以使得除了微電極260中與襯底290相鄰的部分之外,微電極260被光導性聚合物混合物270所圍繞。在光導性聚 合物混合物270上形成電解質280。因此，電解質280被配置為地。這種設備被配置用於眼睛中的視網膜上放置。從而，人造視網膜設備250被配置為在微電極260與電解質280之間產生電勢/電壓差,與以上關於圖1c描述的方式相似,該電勢/電壓差被神經節細胞接收到。因此，微電極260刺激與眼睛相關聯或者臨近人造視網膜設備250的神經節細胞，從而最終基於在光導性聚合物混合物270的各個區域內接收到的光，向神經節細胞提供適合的電信號。圖3示出了根據說明性實施例的本技術的另一基於有機材料的人造視網膜設備300的橫截面視圖，該人造視網膜設備300具有第五幾何結構。人造視網膜設備300包括襯底340,在襯底340上形成導電聚合物325。導電聚合物325是導電的有機聚合物。在導電聚合物325上形成光導性聚合物混合物320。圖樣化的電解質310的陣列在光導性聚合物混合物320上形成圖樣。根據這一實施例，導電聚合物325擔當地電極，電勢在圖樣化的電解質310的陣列與導電聚合物325之間形成。在一個實施例中，人造視網膜設備300不包括金屬的微電極，從而將設備與人體組織的相容性最大化。這種設備被配置用於眼睛中的視網膜下放置。人造視網膜設備300從而被配置為在導電聚合物325與圖樣化的電解質310的陣列之間產生電勢/電壓差，該電勢/電壓差被與眼睛相關聯或臨近人造視網膜設備300的感光細胞接收。因此，圖樣化的電解質310的陣列刺激了感光細胞，從而最終基於在光導性聚合物混合物320的各個區域內接收到的光，向感光細胞提供適合的電信號。圖4示出了根據說明性實施例的基於有機材料的人造視網膜設備100的頂視圖。要注意到，圖4同樣適用於圖1c的人造視網膜設備150。圖4的人造視網膜設備100包括微電極110的陣列、光導性聚合物混合物120和電解質130。從頂視圖看，圖4的微電極110包括圓形的橫截面。根據備選實施例，微電極110可以具有本領域技術人員已知的任何形狀。在一個說明性的實施例中，微電極110、210、260、310和360具有範圍從10微米到100微米的直徑，並被範圍從30微米到400微米的距離分隔開。因此，通過將各個微電極相隔大約10微米,在5毫米(mm) X5mm的區域中可以形成256像素X256像素的設備。像素的密度可在每平方毫米1000-2000像素的範圍內。在備選實施例中，備選的直徑、距離和密度是可能的。在一個說明性的實施例中，光導性聚合物混合物120、220、270、320和270的厚度可以從50納米(nm)到200nm變化,並且電解質層的厚度可以是大約10微米厚。在備選實施例中，備選厚度是可能的。圖5是根據說明性實施例的基於有機材料的人造視網膜設備100和150在患者眼睛內的代表性視網膜下和視網膜上放置的示意。由人造視網膜設備100示意了設備在眼睛內的說明性視網膜下放置，人造視網膜設備100被朝向眼睛510的背部放置，在視網膜520之後。由人造視網膜設備150示意了設備在眼睛內的說明性視網膜上放置，人造視網膜設備150被朝向眼睛510的背部放置，但是在視網膜520前面。由此，人造視網膜設備100和150的微電極與神經 元(例如感光細胞或神經節細胞)進行電接觸,該感光細胞或神經元細胞向光神經530傳送從微電極接收到的信號。在另一實施例中，人造視網膜設備100和150的微電極被放置為與眼睛的雙極細胞接觸。在一個實施例中，將人造視網膜設備(例如參考圖2a和2b描述的人造視網膜設備)放置在眼睛內，以使得該設備的襯底與神經元(即神經節細胞或感光細胞)在物理上接觸。圖6描述了根據說明性實施例的用於製造基於有機材料的人造視網膜設備100、150和300的方法。在操作600中，在襯底上形成地層。在一個實施例中，地層是電解質。電解質可以包括鹽溶液、凝膠或者本領域技術人員已知的任何其他電解質。在一個備選實施例中，微電極層在襯底上形成，並且可以由擔當地電極的導電聚合物(例如，PEDOT:PSS)組成。因此，地層包括接地點，相對於該接地點測量在隨後沉積的微電極/光導性聚合物混合物分界面處的電勢。在操作610中，在地層上形成光導性聚合物混合物。光導性聚合物混合物可以包括聚(3-己基噻吩)_苯基-C61- 丁酸甲酯(P3HT-PCBM)、其他聚噻吩或聚對苯撐亞乙烯基衍生物、或者本領域技術人員已知的能夠對電荷載流子進行充分光激發的任何其他光導性聚合物混合物。光導性聚合物混合物包括電荷載流子，電荷載流子通過光激發對光進行響應，並且在隨後形成的微電極與光導性聚合物混合物之間的分界面處累積，使得微電極與地層之間的電勢/電壓改變。可擔當光導性聚合物混合物的其他可能的化合物包括但不限於:作為供體聚合物的聚[N-9』 -十七烷基-2，7-咔唑-交替-5，5-(4』，7』 -二-2-噻吩基-2，，1，，3，-苯並噻二唑)](PCDTBT)、聚[2，6-(4，4-雙-(2-乙基己基)_4H_ 環戊[2，1-b ;3，4-b_]- 二噻吩)-交替-4,7-(2,1,3-苯並噻二唑)](PCPDTBT)，以及作為受體聚合物的苯基-C70-丁酸甲酯(PCBM-C70)、聚[N，N』-雙(2-辛基十二烷基)-萘-1，4，5，8-雙(二羧醯亞胺)-2，6-二基]-交替-5，5』-(2，2』 -聯噻吩)、(P(NDI20D-T2))或二萘嵌苯二醯亞胺及其衍生物。在操作620中，在光導性聚合物混合物上形成微電極的陣列。如上所述，微電極可以包括本領域技術人員已知的任何導電材料。例如，微電極可以包括鉬或者導電性的透明材料(例如，銦錫氧化物)。在一個說明性的實施例中，將微電極印製在光導性聚合物混合物上，以形成具體應用所需的圖樣。在一個備選實施例中，微電極可以僅包括導電聚合物，例如，PED0T:PSS。這種配置允許人造視網膜設備100僅由有機材料形成，而無需包括任何金屬或金屬氧化物。設備中缺少金屬和金屬氧化物使得更好地與在其中移植了設備的有機組織相容。在一個備選實施例中，可以採用聚卩比咯(polypyrrole)或本領域技術人員已知的任何其他導電的生物相容聚合物來作為導電聚合物。圖7描述了根據說明性實施例的用於製造基於有機材料的人造視網膜設備200和250的方法。在操作700中，根據本領域技術人員已知的任何工藝來在襯底上提供微電極的陣列。在一個說明性的實施例中，將微電極印製在襯底上，以形成具體應用所需的圖樣。如上所述，微電極可以包括本領域技術人員已知的任何導電材料。例如，微電極可以包括鉬或者導電性的透明材料(例如，銦錫氧化物)。在操作710中，將導電聚合物沉積在微電極的陣列上。根據說明性的實施例，可以通過在微電極上旋轉塗覆PED0T:PSS來完成對導電聚合物的沉積。在一個備選實施例中，操作700中提供的微電極可以僅包括導電聚合物，例如，PED0T:PSS。根據這種實施例，不執行步驟710，因為電極已經包括了導電聚合物。由此，各個微電極110完全由導電聚合物(例如，PEDOT:PSS)製成，從而允許在不包括任何金屬或金屬氧化物的情況下僅由有機材料形成人造視網膜設備100。在一個備選實施例中，可以採用聚吡咯或本領域技術人員已知的任何其他導電的生物相容聚合物來作為導電聚合物。在操作720中，將光 導性聚合物混合物塗(apply)在微電極的陣列上或周圍。光導性聚合物混合物可以包括聚(3-己基噻吩)_苯基-C61- 丁酸甲酯(P3HT-PCBM)、其他聚噻吩或聚對苯撐亞乙烯基衍生物、或者本領域技術人員已知的能夠對電荷載流子進行充分光激發的任何其他光導性聚合物混合物。光導性聚合物混合物包括電荷載流子，電荷載流子通過光激發對光進行響應，並且在微電極與光導性聚合物混合物之間的分界面處累積，導致微電極與地之間的電勢或電壓改變。可擔當光導性聚合物混合物的其他可能的化合物包括但不限於:作為供體聚合物的聚[N-9』 -十七烷基-2，7-咔唑-交替-5，5-(4』，
V-二-2-噻吩基 _2』，1』，3』 -苯並噻二唑)](PCDTBT)、聚[2，6-(4，4-雙-(2-乙基己基)-4H-環戊[2，Ι-b ;3，4-13_]-二噻吩)-交替-4，7-(2，1，3-苯並噻二唑)]( 0 0丁81')，以及作為受體聚合物的苯基-C70-丁酸甲酯(PCBM-C70)、聚[N，N』-二(2-辛基癸基)-萘-1，4，5，8-雙(二羧醯亞胺)_2，6-二基]-交替-5，5』 -(2，2，-聯噻吩)、(P (NDI20D-T2))或二萘嵌苯二醯亞胺及其衍生物。在操作730中，相鄰於光導性聚合物混合物形成電解質。電解質可以包括鹽溶液、凝膠或者本領域技術人員已知的任何其他電解質。在一個實施例中，電解質包括地，相對於地來測量微電極/光導性聚合物混合物分界面處的電勢。圖8a和8b示出了根據說明性實施例的普通哺乳動物視網膜的輸出響應。圖8b還示意了普通哺乳動物視網膜的神經節細胞的輸出響應。圖9a示出了根據說明性的實施例的基於有機材料的人造視網膜設備(類似於人造視網膜設備100和150)的已濾波的實時輸出。該說明性實施例的設備包括鉬電極的微電極陣列，該鉬電極具有40微米的直徑，並且電極間的間隔是200微米。使用供體-受體聚合物的光導性聚合物。使用濃度為每升100毫摩爾的氯化鉀溶液來作為電解質。該設備包括由銀/氯化銀形成的地電極。在各個電極上測量相對於地的數據，並使用數據獲取卡以25kHz的採樣率對其進行記錄。使用功能生成器對來自發光二極體的光進行脈衝調節，並由此將其作為刺激源(stimulus)。使用數字式Butterworth濾波器來對信號濾波。將濾波器設置為從200Hz到3kHz。圖9b示出了基於有 機材料的人造視網膜設備的未濾波實時輸出，該人造視網膜設備與用於圖9a的人造視網膜設備相同。圖9c示出了相同的基於有機材料的人造視網膜設備的輸出，除了將圖9a和9b的設備中的鉬電極的微電極陣列替換為由導電聚合物PED0T:PSS形成的電極之外。如各個圖中所示的，圖9a、9b和9c中的設備的場響應與圖8a和Sb中示出的視網膜的場響應相似，從而展現出圖9a、9b和9c的設備刺激眼睛內的神經節細胞並最終刺雷射神經細胞的能力。最大幅度的尖峰信號具有範圍在15-20毫伏中的值(如沿著y軸所展示的)。X軸對應於時間。圖9a、9b和9c的圖示意了在I秒的持續時間上進行的讀取。在本文中可已經使用了一個或多個流程圖。流程圖的使用不意味著對所執行的操作的順序進行限制。本公開所述的主題有時說明不同部件包含在不同的其他部件內或者不同部件與不同的其他部件相連。應當理解，這樣描述的架構只是說明性的，事實上可以實現許多能夠實現相同功能的其他架構。在概念上，有效地「關聯」用以實現相同功能的部件的任意設置，從而實現所需功能。因此，這裡組合實現具體功能的任意兩個部件可以被視為彼此「關聯」從而實現所需功能，而無論架構或中間部件如何。同樣，任意兩個如此關聯的部件也可以看作是彼此「可操作地連接」或「可操作地耦合」以實現所需功能，且能夠如此關聯的任意兩個部件也可以被視為彼此「能可操作地耦合」以實現所需功能。能可操作地耦合的具體示例包括但不限於物理上可配對和/或物理上交互的部件，和/或無線交互和/或可無線交互的部件，和/或邏輯交互和/或可邏輯交互的部件。至於本文中任何關於多數和/或單數術語的使用，本領域技術人員可以從多數形式轉換為單數形式，和/或從單數形式轉換為多數形式，以適合具體環境和應用。為清楚起見，在此明確聲明單數形式/多數形式可互換。本領域技術人員應當理解，一般而言，所使用的術語，特別是所附權利要求中(例如，在所附權利要求的主體部分中)使用的術語，一般地應理解為「開放」術語(例如，術語「包括」應解釋為「包括但不限於」，術語「具有」應解釋為「至少具有」等)。本領域技術人員還應理解，如果意在所引入的權利要求中標明具體數目，則這種意圖將在該權利要求中明確指出，而在沒有這種明確標明的情況下，則不存在這種意圖。例如，為幫助理解，所附權利要求可能使用了引導短語「至少一個」和「一個或多個」來引入權利要求中的特徵。然而，這種短語的使用不應被解釋為暗示著由不定冠詞「一」或「一個」引入的權利要求特徵將包含該特徵的任意特定權利要求限制為僅包含一個該特徵的發明，即便是該權利要求既包括引導短語「一個或多個」或「至少一個」又包括不定冠詞如「一」或「一個」(例如，「一」和/或「一個」通常應當被解釋為意指「至少一個」或「一個或多個」)；在使用定冠詞來引入權利要求中的特徵時，同樣如此。另外，即使明確指出了所引入權利要求特徵的具體數目，本領域技術人員應認識到，這種列舉通常應解釋為意指至少是所列數目(例如，不存在其他修飾語的短語「兩個特徵」通常意指至少兩個該特徵，或者兩個或更多該特徵)。另外，在使用類似於「A、B和C等中至少一個」這樣的表述的情況下，一般來說應該按照本領域技術人員通常理解該表述的含義來予以解釋(例如，「具有A、B和C中至少一個的系統」應包括但不限於單獨具有A、單獨具有B、單獨具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系統等)。在使用類似於「A、B或C等中至少一個」這樣的表述的情況下，一般來說應該按照本領域技術人員通常理解該表述的含義來予以解釋(例如，「具有A、B或C中至少一個的系統」應包括但不限於單獨具有A、單獨具有B、單獨具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系統等)。本領域技術人員還應理解，實質上任意表不兩個或更多可選項目的轉折連詞和/或短語，無論是在說明書、權利要求書還是附圖中，都應被理解為給出了包括這些項目之一、這些項目任一方、或兩個項目的可能性。例如，短語「A或B」應當被理解為包括「A」或「B」、或「A和B」的可能性。出於說明和描述的目的，之前已經對說明性實施例進行了描述。對於所公開的精確形式，其並非旨在並不旨在窮舉或限制，並且根據以上的教導，修改和變型都是可能的，或者可以根據所公開的實施例的實踐來獲得修改和變型。意圖在於本發明的範圍要由在此所附的權利要求及其 等同替代來限定。
權利要求
1.一種人造視網膜設備，包括: 襯底； 在所述襯底上形成的微電極陣列；以及 光導性聚合物混合物，與所述微電極陣列相鄰，以形成所述微電極陣列中的至少一個電極與所述光導性聚合物混合物之間的分界面，其中，所述光導性聚合物混合物被配置為響應於接收到光來產生被激發的電荷載流子，以及所述分界面被配置為累積被激發的電荷載流子並產生相對於地的電壓改變。
2.根據權利要求1所述的設備，還包括:電解質層，形成為與所述光導性聚合物混合物相鄰，其中，所述地包括所述電解質層。
3.根據權利要求1所述的設備，其中，所述微電極陣列被直接沉積在所述襯底上，並實質上由所述光導性聚合物混合物包圍。
4.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述光導性聚合物混合物包括聚噻吩或聚對苯撐亞乙烯基衍生物中的至少之一。
5.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述微電極陣列中的電極包括導電聚合物。
6.根據權利要求5所述的設備，其中，所述導電聚合物是聚(3，4_亞乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)，以及所述光導性聚合物混合物包括P3HT (聚3-己基噻吩)-PCBM。
7.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述光導性聚合物混合物包括對光譜中的相應波長敏感的一個或多個像素，以及所述一個或多個像素包括不同成分的光導性聚合物或不同厚度的所述光導性聚合物混合物。
8.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述光導性聚合物混合物的至少一部分包括給定厚度，以及被配置為檢測兩種顏色中的第一顏色並傳送第一電信號，以及檢測所述兩種顏色中的第二顏色並傳送第二電信號，所述第一電信號包括響應於檢測到所述第一顏色的正尖峰信號，所述第二電信號包括響應於檢測到所述第二顏色的負尖峰信號。
9.根據權利要求1所述的設備，還包括:位於所述襯底和所述光導性聚合物混合物之間的導電聚合物，以及所述微電極包括電解質。
10.一種製造人造視網膜設備的方法，所述方法包括: 在襯底上形成微電極陣列；以及 在所述襯底上形成光導性聚合物混合物，其中，所述光導性聚合物混合物被配置為響應於接收到光來產生被激發的電荷載流子，所述光導性聚合物混合物和所述微電極陣列在所述微電極陣列中的至少一個電極與所述光導性聚合物混合物之間形成分界面，以及所述分界面被配置為累積被激發的電荷載流子並產生相對於地的電壓改變。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括: 在所述襯底上形成地層，其中，所述地層包括所述地； 在所述地層上形成所述光導性聚合物混合物；以及 與所述光導性聚合物混合物相鄰地沉積所述微電極陣列。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其中，所述微電極陣列完全由導電聚合物形成，所述導電聚合物包括聚(3，4-亞乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸鹽)(PED0T:PSS)。
13.根據權利要求10所述的方法，其中，在所述襯底上形成光導性聚合物混合物包括將所述微電極陣列實質性地包圍在所述光導性聚合物混合物內，所述方法還包括在所述光導性聚合物混合物上形成電解質層，以使得所述微電極陣列和所述光導性聚合物混合物位於所述電解質與所述襯底之間。
14.一種設備，包括: 電極；以及 光導性聚合物混合物，與所述電極相鄰，其中，所述光導性聚合物混合物的至少一部分被配置為: 響應於接收到具有兩種顏色中的第一顏 色的光，使得在所述電極處形成第一電信號，其中，所述第一電信號具有第一極性；以及 響應於接收到具有所述兩種顏色中的第二顏色的光，使得在所述電極處形成第二電信號，其中，所述第二電信號具有與所述第一極性相反的第二極性。
15.根據權利要求14所述的設備，其中，所述光導性聚合物混合物的所述一至少部分具有統一的厚度和成分，所述設備還包括地，所述第一和第二電信號包括所述電極和所述地之間的電壓差。
全文摘要
本技術提供了基於有機物的人造視網膜設備，該人造視網膜設備包括襯底和在襯底上形成的微電極陣列。示意性的人造視網膜設備還包括在所述微電極陣列上沉積的光導性聚合物混合物。該光導性聚合物混合物被配置為響應於接收到光來產生光電信號。
文檔編號H01L51/42GK103179928SQ201080067806
公開日2013年6月26日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年6月28日
發明者納拉揚·蘇瑞斯瓦讓·卡瓦薩瑞, 維尼·高塔馬, 莫諾吉特·巴蓋 申請人:賈瓦哈拉尓尼赫魯高級科學研究中心