復旦大學最新Science：碲納米線視網膜納米假體改善盲癥模型視力

復旦大學最新Science：碲納米線視網膜納米假體改善盲癥模型視力

溫華

?一、 【科學背景】

本文聚焦于解決視網膜退行性疾病（如視網膜色素變性和老年黃斑變性）導致的不可逆視力喪失問題。當前視覺修復技術面臨多重挑戰：干細胞療法存在移植存活率和功能整合難題；基因治療受限于特定遺傳突變類型且長期安全性存疑；光遺傳學技術需依賴基因改造和外源光敏蛋白表達，臨床應用受限。傳統視網膜假體（如光電二極管陣列）雖已在部分患者中實現光感恢復，但其依賴外部供電系統、笨重的眼鏡式攝像頭及電纜，極大限制了患者的活動自由度與生活便利性。更關鍵的是，現有假體的光譜響應范圍通常局限于可見光（≤1000 nm），無法利用近紅外光（NIR），且受制于Shockley-Queisser物理極限，光電轉換效率低下，需強光刺激才能激活視網膜神經元，存在潛在組織損傷風險。紅外視覺拓展具有重要應用價值，自然界中部分動物（如蛇類）可通過紅外感知增強暗環境下的空間辨識能力，而人類視網膜因缺乏紅外敏感光感受器，無法利用此波段光信號。開發兼具寬光譜響應（覆蓋可見光與紅外）、高生物相容性且無需外接設備的植入式假體，對恢復基礎視覺功能乃至實現夜視增強具有重大意義。

針對上述瓶頸，本研究團隊基于碲（Te）納米材料特性提出創新解決方案。碲作為一種窄帶隙（~0.3 eV）半導體材料，具備從可見光延伸至紅外II區（1550 nm）的寬譜吸收能力，理論預測其可自發產生零偏壓光電流，是理想的光電轉換材料。作者前期研究已驗證二氧化鈦納米線陣列在盲態小鼠及非人靈長類模型中作為人工光感受器的可行性，成功恢復部分視覺行為，但受限于材料帶隙，其光譜響應范圍仍集中于可見光波段。在此基礎上，本研究通過化學氣相沉積法設計合成碲納米線網絡（TeNWNs），利用其獨特的螺旋鏈狀晶體結構，結合材料內部缺陷（錫取代、碲空位）與外部界面（納米線/視網膜細胞接觸面）的非對稱性協同效應，突破傳統體材料對稱性限制，實現“自供電”式高效光電轉換。這一設計巧妙規避了外部電源依賴，簡化了植入系統，為開發微創、寬譜、高靈敏度的新一代視網膜納米假體奠定了技術基礎。

二、 【科學貢獻】

今日，復旦大學王水源、周鵬、張嘉漪以及中國科學院上海技術物理研究所胡偉達課題組，在最新Science上發表了題為“Tellurium nanowire retinal nanoprosthesis improves vision in models of blindness”的論文。本研究通過化學氣相沉積合成碲納米線網絡（TeNWNs），其獨特的一維鏈狀晶格結構結合錫（Sn）替代缺陷和碲空位，在界面不對稱性驅動下產生超高光電流密度（30 A cm?2），覆蓋可見光至1550 nm近紅外-II波段。在視網膜色素變性盲鼠模型中，TeNWNs通過微創視網膜下植入替代受損感光細胞，成功激活視網膜神經節細胞（RGCs）和視覺皮層（圖3：TeNWNs誘導盲鼠視網膜神經節細胞對多波段光刺激的電生理反應）。行為實驗證實植入盲鼠恢復瞳孔光反射，并在近紅外光下完成光源定位（正確率71.67%）和圖案識別（正確率~62.3%）。在食蟹猴模型中，TeNWNs植入后兼容正常視力，新增紅外光感知能力，且植入區域血管完整，無炎癥反應。

圖1 展示碲的螺旋鏈晶格結構、Sn缺陷分布及理論計算證明缺陷驅動的超高零偏壓光電流 ? 2025 AAAS

圖2 實驗驗證TeNWNs在可見光至紅外-II波段的自發光電流響應及空間電場分辨率? 2025 AAAS

?圖3 盲鼠視網膜神經節細胞經TeNWNs刺激后，對多波段光產生動作電位并恢復感受野功能? 2025 AAAS

?圖4 植入盲鼠的視覺皮層激活、瞳孔反射恢復及行為學測試? 2025 AAAS

?圖5 食蟹猴植入TeNWNs后視網膜結構完整性評估及紅外光誘導的視網膜電圖響應? 2025 AAAS

圖1展示了碲（Te）納米線的晶格結構與光電流機制。通過理論計算和實驗表征（SEM、HAADF-STEM），揭示碲的螺旋鏈狀原子結構（圖1A-B），并證明內部缺陷（錫替代、碲空位）和外部界面不對稱性共同誘導零偏壓下的巨幅光電流。圖2通過實驗驗證TeNWNs的光電性能。器件在零偏壓下的光電流密度達30 A cm?2（創紀錄值），且隨光照強度線性增長。與各類材料對比表明，降維結構顯著提升光電流，其響應波段（可見光-1550 nm）超越現有視網膜假體技術（圖2D）。圖3聚焦TeNWNs激活盲鼠視網膜神經節細胞（RGC）的能力。植入后RGC對可見光（470/570/635 nm）和近紅外光（940/1550 nm）均產生動作電位（圖3B），近紅外II區激活閾值最低（18.98 mW mm?2，圖3E-F）。圖4評估視覺功能恢復。植入盲鼠的皮層視覺誘發電位（VEP）證實信號上傳至高級視覺中樞（圖4D-G）。行為學測試顯示：瞳孔對可見光/近紅外光產生收縮反射；在飲水聯想任務中，植入鼠對近紅外光的正確率達66.67%。 圖5驗證食蟹猴模型的生物相容性與功能。植入112天后，OCT和眼底熒光造影（FFA）顯示TeNWNs穩定貼附視網膜內核層，無血管異常。

三、【科學啟迪】

總之，本文成功開發了一種基于碲納米線網絡（TeNWNs）的視網膜納米假體，能夠高效地將可見光至近紅外-II區（1550 nm）的光譜自發轉換為零偏壓光電流，光電流密度高達30 A cm?2。通過缺陷工程和界面不對稱性設計，該假體克服了傳統視網膜假體依賴外部設備、光譜響應窄及效率低的局限。在失明小鼠模型中，TeNWNs成功植入視網膜下空間，激活了殘余視網膜環路和視皮層神經信號，恢復了瞳孔光反射、光源定位及圖案識別等視覺行為，其光強度僅為臨床安全閾值的1/80。在非人靈長類動物（食蟹猴）實驗中，該假體展現出良好的生物相容性和長期穩定性，在保留正常可見光視覺的同時新增了紅外光感知能力，且未引起明顯炎癥或視網膜結構損傷。

展望未來，TeNWNs技術為視障患者提供了兼具視力恢復與紅外視覺增強的革新方案。其微創植入特性、寬光譜響應及無需外置電源的優勢，顯著提升了臨床實用性與安全性。下一步需推進人類臨床試驗，驗證其在人體中的長期安全性和視覺恢復效果。同時，通過優化材料空間分布與神經編碼策略，有望進一步提升假體的分辨率與色彩識別能力。結合視覺訓練促進大腦皮層可塑性，該技術或可幫助患者適應并充分利用新型視覺信息，最終實現從基礎光感知到復雜視覺場景理解的跨越，為視網膜退行性疾病患者帶來更自然、更強大的視覺功能重建。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu2987