|
Фотоэлементы в глазах помогут вернуть людям зрение
|
|
|
|
Имплантация крошечных солнечных панелей в глазные яблоки людей может звучать как научная фантастика, но это именно то, над чем работает команда австралийских ученых. Технология следующего поколения может значительно улучшить качество жизни людей с неизлечимыми заболеваниями глаз. Нейропротезы взаимодействуют с нервной системой, восстанавливая утраченную функциональность. Хорошим примером является кохлеарный имплантат, небольшое электронное устройство, хирургическим путем имплантируемое во внутреннее ухо, которое стимулирует слуховой нерв для подачи звуковых сигналов непосредственно в мозг, улучшая слух. Сейчас исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) изучают, может ли подобная технология нейропротезирования восстановить зрение у людей с поврежденными фоторецепторами, специализированными клетками сетчатки, способными поглощать свет и преобразовывать его в электрические сигналы, которые могут быть отправлены в зрительную кору.
|
|
|
|
Сенсорные чипы камеры обеспечивают высокое разрешение, экстремальную глубину цвета и повышенную чувствительность к низкой освещенности, но есть одна ключевая проблема: они нуждаются в питании. Страшно подумать, куда могла бы пойти батарея для датчика камеры в вашем глазном яблоке или как вы бы ее меняли или заряжали. С другой стороны, есть еще одна технология, способная превращать свет непосредственно в электричество – солнечные фотоэлектрические панели. “Люди с определенными заболеваниями, такими как пигментный ретинит и возрастная макулярная дегенерация, медленно теряют зрение по мере дегенерации фоторецепторов в центре глаза”, - сказал Удо Ремер, инженер, специализирующийся в области фотоэлектрики, широко известной как технология солнечных панелей. “Долгое время считалось, что биомедицинские имплантаты в сетчатке могут заменить поврежденные фоторецепторы. Один из способов сделать это - использовать электроды для создания импульса напряжения, который может позволить людям увидеть крошечное пятнышко”.
|
|
|
Когда свет попадает на сетчатку в задней части глаза, фоторецепторы преобразуют его в электрические сигналы. Эти сигналы передаются от сетчатки через зрительный нерв в мозг, где они преобразуются в изображения, которые вы видите. Пигментный ретинит (РП) - это название, данное группе редких генетических заболеваний глаз, которые вызывают медленное разрушение фоторецепторов, улавливающих изображение, что со временем приводит к потере зрения. При возрастной макулярной дегенерации (ВМД) повреждается макула, часть сетчатки, которая контролирует четкое зрение прямо перед собой, что приводит к потере зрения в центральном поле зрения. В настоящее время нет лекарства от РП или ВМД. Причиной, побудившей Ремера заняться этим исследованием, была случайная встреча со студентом-биомедицинцем.
|
|
|
|
”Я помогал аспиранту из нашей биомедицинской школы с обработкой данных, и у нас было несколько интересных дискуссий обо всех различных исследованиях, которые проводятся в их группе", - сказал Ремер New Atlas. “Мне [очень] нравится работать с солнечными батареями, но многое из того, что они делают, очень интересно и звучит довольно футуристично. Его докторский проект был посвящен солнечным элементам для стимуляции нервной системы, и он показал мне исследовательскую работу группы Паланкера в Стэнфорде, посвященную имплантации сетчатки с использованием кремниевых солнечных элементов – вероятно, одну из самых увлекательных работ, которые я читал, потому что это звучит как научная фантастика”. Первоначально Ремера отпугнули уже продвинутые исследования по использованию фотоэлектрических элементов для восстановления зрения, поэтому он отложил эту идею в сторону.
|
|
|
|
“Но это было нечто такое, что засело у меня в голове из-за того, насколько это было потрясающе”, - объясняет Ремер. “Несколько месяцев спустя, когда я обсуждал исследовательский проект со своим научным руководителем, мы говорили о многопереходных солнечных элементах, которые по сути представляют собой пару разных солнечных элементов, установленных друг на друга для лучшего использования всего солнечного спектра. В этот момент что-то щелкнуло, и я подумал: ”Возможно, укладка солнечных элементов могла бы решить одну из сложностей с устройством, над которым работает Palanker Group". По мнению Ремера, проблемы Palanker Group можно было бы преодолеть, объединив солнечные элементы и изменив полупроводниковый материал, используемый в устройстве.
|
|
|
|
”Им нужно было соединить три крошечных Si [кремниевых] солнечных элемента в каждом из пикселей, чтобы увеличить напряжение до значения, достаточно высокого для надежной стимуляции нейронов", - сказал инженер New Atlas. “Чтобы стимулировать нейроны, вам нужно более высокое напряжение, чем то, которое вы получаете от одного солнечного элемента. Если представить фоторецепторы в виде пикселей, то нам действительно нужны три солнечных элемента, чтобы создать достаточное напряжение для отправки в мозг. Объединение солнечных элементов в стопку сделало бы точно то же самое [что и их соединение между собой], но потенциально позволило бы уменьшить размер пикселей и, следовательно, повысить разрешение. Хотя мы не можем легко собирать солнечные элементы из кремния, это обычно делается с использованием таких материалов, как арсенид галлия”. Кремний остается наиболее распространенным полупроводником, используемым в производстве солнечных элементов. Также используются другие материалы, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия галлия (GaInP). Хотя эти материалы не такие дешевые, как кремний, их преимущество заключается в том, что их свойства легче настраивать.
|
|
|
|
После “небольшого исследования и некоторых расчетов” Ремер подал заявку на получение премии Discovery Early Career Researcher Award (DECRA) в Австралийский исследовательский совет и обеспечил финансирование проекта. Затем работа по совершенствованию технологии шла полным ходом. “Испытания этой технологии уже проводились”, - сказал Ремер. “Но проблема в том, что для этого требуются провода, вводимые в глаз, что является сложной процедурой”. Альтернативная идея заключается в использовании крошечной солнечной панели, прикрепленной к глазному яблоку. Эта панель, естественно, будет автономной и портативной, что позволит избежать необходимости в подключении проводов к глазу. В настоящее время технология находится на стадии проверки концепции. Следующим шагом является преобразование крошечных солнечных элементов в крошечные пиксели, необходимые для точного прицеливания. “До сих пор мы успешно устанавливали два солнечных элемента друг на друга в лаборатории на большой площади – около 1 см2, – что дало неплохие результаты”, - сказал Ремер.
|
|
|
|
Он ожидает, что после обширных лабораторных испытаний и тестирования на животных моделях устройство будет размером около 2 мм2 с пикселями размером около 50 микрометров. К тому времени оно должно быть готово к тестированию на людях, но до этого еще некоторое время. Ремер отмечает, что устройство работает только тогда, когда на него направлен лазерный луч, и что пациенты будут видеть только черно-белое изображение с довольно низким разрешением. “Следует отметить, что даже при высокой эффективности многослойных солнечных элементов одного солнечного света может быть недостаточно для работы с этими солнечными элементами, имплантированными в сетчатку”, - сказал Ремер. “Возможно, людям придется носить какие-то защитные очки или ”умные" очки, которые работают в тандеме с солнечными элементами, способными усиливать солнечный сигнал до требуемой интенсивности, необходимой для надежной стимуляции нейронов в глазу". Он также уверяет нас, что устройство не могло быть использовано в неблаговидных целях. “На самом деле это ”всего лишь" медицинское устройство, которое может помочь пациентам с определенными заболеваниями сохранить часть зрения", - сказал Ремер в интервью New Atlas. “Мы далеки от применения в качестве киборга”.
|
|
|
|
Источник
|
