西湖大学ACS Nano 抗体润饰的光伏-生物界面用于神经细胞的激活

　　视网膜退行性疾病随同光感受器损失，为视觉功用的康复带来了严重应战。根据人工光感受器的视网膜假体是医治视网膜退行性疾病的一种战略，且视网膜假体绕过受损的光感受器直接影响存活的视网膜神经节细胞，在晚期及终晚期视网膜变性中展现出共同的医治优势。在人工光感受器的开展进程中，怎么经过简易办法构建生物相容性神经界面，使其可以在低光强下完成高效神经影响并模仿视觉分辨率，仍是当时面临的应战。

　　针对这一应战，西湖大学柳佃义课题组开发了一种抗体润饰的光伏-生物界面，该界面运用有机半导体资料作为吸光资料，替代自然界的视网膜感光色素，在有机半导体薄膜上培育神经细胞，替代视觉神经。有机半导体-神经界面不光可以提高低光强照射下的神经元影响成功率，一起又能完成神经元成长空间的图画化调控。该研讨显着降低了体外神经元光激活体系所需光照强度阈值，将现有体外神经元光激活体系所需的光强降低了一个数量级。培育于该生物界面上的神经元，可在低于5 mW cm⁻²的光照强度下被成功激活。凭借抗体润饰界面的特异性靶向功用，该界面完成了神经元成长的空间可控图画化，从而构建出具有阵列结构的神经网络。

　　1.本文经过构建光伏设备与神经元之间的抗体润饰生物界面，展现了一种能显着地增强神经影响灵敏度和选择性的有用战略。

　　2.培育在该生物界面上的神经元可在低于5 mW cm⁻²的光照强度下被成功激活，该激活光强低于传统人工视网膜假体所需的光照条件，是现有体外神经元光激活所需的最低光强，极大提高了人工视网膜假体的光呼应灵敏度。

　　3.凭借抗体润饰界面的特异性靶向功用，在金阵列上完成了神经元成长区域的阵列化散布。

　　图1. 抗体润饰与器材功用。(a) 光伏器材结构及光电流测验的示意图；(b) 不同结构器材的功用体现；A.L.：P3HT:PCBM；(c) 抗体在ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au外表的生物偶联进程；(d) 抗体润饰生物界面的示意图；(e) 在138.4 mW cm−2光照下，外表具有抗体润饰与未润饰的器材光电流波形比照；(f) 不同光照强度下标明上进行抗体润饰与未润饰的器材光电流呼应。

　　图2. 不同外表处理后生物界面上的细胞活性。(a)在ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au上对外表不处理、氧等离子体处理、PLL处理及抗体润饰后，培育14天的原代海马神经元；(b) 细胞活性荧光染色成果，显现培育14天的细胞存活状况。

　　图3. 抗体润饰的生物界面临原代海马神经元的光影响调控。(a)膜片钳电生理测验示意图。 (b) TTX (1 μM) 增加前后，抗体润饰界面上神经元在光影响下的膜电位轨道。(c) 138.4 mW cm−2光强，不同频率光影响下的神经活动。(d) 不同光强下的神经激活。(e) 不同光强下，光激活神经元发生的典型动作电位。光脉冲参数：5 Hz，50 ms。(f) 不同光强下神经元的均匀放电推迟。

　　图4. 不同外表润饰生物界面临神经元的光调控功用。(a)不同光强下可以被光激活的神经元占比；(b) 各呼应细胞中光激活发生动作电位的成功率； (c) 在 (i) 17.6 mW cm−2、(ii) 8.7 mW cm−2和 (iii) 4.4 mW cm−2光强下，不同外表润饰生物界面上神经元光影响成果。左列为PLL润饰界面，右列为抗体润饰界面。(d) 简化的等效电路模型。(e) 不同外表润饰生物界面的Nyquist图。(f) 高频区Nyquist图的拟合成果。

　　图5. 在金阵列上完成细胞贴壁的空间调控。(a)在PLL润饰与抗体润饰的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au 阵列上培育的神经元；(b) 抗体润饰的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au 阵列上神经元的钙离子荧光成像，虚线圆圈表明金电极的边际；(c) 光激活金阵列上单个神经元发生的动作电位；(d) 光照前后神经元内钙离子浓度改变；(e) 细胞选择性贴附于金阵列的示意图，及可用于图像识别使用的柔性器材结构示意图；(f)贴附于曲面上的柔性光伏器材实物图。

　　该研讨成功开发了一种人工光感受器体系，该体系可以协同整合神经元成长空间的图画化调控和增强神经光激活功用。研讨成果以“Antibody-Modified Photovoltaic Biointerface for Neural Stimulation”为题，宣布于《ACS Nano》上。博士生欧玟为该作业的榜首作者，姜倩晴博士和柳佃义博士为通讯作者。这项作业得到了国家重点研制方案（编号: 2022YFC3401800）和西湖教育基金会的赞助。

　　柳佃义，西湖大学特聘研讨员（独立PI）。柳佃义博士课题组主要是做光电资料与器材相关范畴的研讨，研讨内容有通明太阳能电池、人工生物叶片和可穿戴柔性电子等方面。至今已在Nat. Photonics、JACS、Joule、Science Advances等期刊上宣布论文40余篇。2022年，创建我国榜首家通明光伏公司--西湖光电，致力于推进通明光伏和有机光伏的产业化推行和使用。现在西湖光电研制的通明光伏组件功率和透光率均到达国际领先水平。2024年9月，西湖光电正式对外出售大面积OPV样品，并供给OPV制样服务。

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