西湖大學(xué)ACS Nano 抗體修飾的光伏-生物界面用于神經(jīng)細(xì)胞的激活

視網(wǎng)膜退行性疾病伴隨光感受器喪失，為視覺功能的恢復(fù)帶來了重大挑戰(zhàn)。基于人工光感受器的視網(wǎng)膜假體是治療視網(wǎng)膜退行性疾病的一種策略，且視網(wǎng)膜假體繞過受損的光感受器直接刺激存活的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，在晚期及終末期視網(wǎng)膜變性中展現(xiàn)出獨(dú)特的治療優(yōu)勢(shì)。在人工光感受器的發(fā)展過程中，如何通過簡(jiǎn)易方法構(gòu)建生物相容性神經(jīng)界面，使其能夠在低光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)高效神經(jīng)刺激并模擬視覺分辨率，仍是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，西湖大學(xué)柳佃義課題組開發(fā)了一種抗體修飾的光伏-生物界面，該界面使用有機(jī)半導(dǎo)體材料作為吸光材料，替代自然界的視網(wǎng)膜感光色素，在有機(jī)半導(dǎo)體薄膜上培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞，代替視覺神經(jīng)。有機(jī)半導(dǎo)體-神經(jīng)界面不但能夠提升低光強(qiáng)照射下的神經(jīng)元刺激成功率，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元生長(zhǎng)空間的圖案化調(diào)控。該研究顯著降低了體外神經(jīng)元光激活體系所需光照強(qiáng)度閾值，將現(xiàn)有體外神經(jīng)元光激活體系所需的光強(qiáng)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。培養(yǎng)于該生物界面上的神經(jīng)元，可在低于5 mW cm?2的光照強(qiáng)度下被成功激活。借助抗體修飾界面的特異性靶向功能，該界面實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元生長(zhǎng)的空間可控圖案化，進(jìn)而構(gòu)建出具有陣列結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

研究亮點(diǎn)：

1.本文通過構(gòu)建光伏設(shè)備與神經(jīng)元之間的抗體修飾生物界面，展示了一種能顯著增強(qiáng)神經(jīng)刺激靈敏度和選擇性的有效策略。

2.培養(yǎng)在該生物界面上的神經(jīng)元可在低于5 mW cm?2的光照強(qiáng)度下被成功激活，該激活光強(qiáng)低于傳統(tǒng)人工視網(wǎng)膜假體所需的光照條件，是現(xiàn)有體外神經(jīng)元光激活所需的最低光強(qiáng)，極大提升了人工視網(wǎng)膜假體的光響應(yīng)靈敏度。

3.借助抗體修飾界面的特異性靶向功能，在金陣列上實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元生長(zhǎng)區(qū)域的陣列化分布。

圖1. 抗體修飾與器件性能。(a) 光伏器件結(jié)構(gòu)及光電流測(cè)試的示意圖；(b) 不同結(jié)構(gòu)器件的性能表現(xiàn)；A.L.：P3HT:PCBM；(c) 抗體在ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au表面的生物偶聯(lián)過程；(d) 抗體修飾生物界面的示意圖；(e) 在138.4 mW cm?2光照下，表面具有抗體修飾與未修飾的器件光電流波形對(duì)比；(f) 不同光照強(qiáng)度下表面進(jìn)行抗體修飾與未修飾的器件光電流響應(yīng)。

圖2. 不同表面處理后生物界面上的細(xì)胞活性。(a)在ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au上對(duì)表面不處理、氧等離子體處理、PLL處理及抗體修飾后，培養(yǎng)14天的原代海馬神經(jīng)元；(b) 細(xì)胞活性熒光染色結(jié)果，顯示培養(yǎng)14天的細(xì)胞存活狀態(tài)。

圖3. 抗體修飾的生物界面對(duì)原代海馬神經(jīng)元的光刺激調(diào)控。(a)膜片鉗電生理測(cè)試示意圖。 (b) TTX (1 μM) 添加前后，抗體修飾界面上神經(jīng)元在光刺激下的膜電位軌跡。(c) 138.4 mW cm?2光強(qiáng)，不同頻率光刺激下的神經(jīng)活動(dòng)。(d) 不同光強(qiáng)下的神經(jīng)激活。(e) 不同光強(qiáng)下，光激活神經(jīng)元產(chǎn)生的典型動(dòng)作電位。光脈沖參數(shù)：5 Hz，50 ms。(f) 不同光強(qiáng)下神經(jīng)元的平均放電延遲。

圖4. 不同表面修飾生物界面對(duì)神經(jīng)元的光調(diào)控性能。(a)不同光強(qiáng)下能夠被光激活的神經(jīng)元占比；(b) 各響應(yīng)細(xì)胞中光激活產(chǎn)生動(dòng)作電位的成功率； (c) 在 (i) 17.6 mW cm?2、(ii) 8.7 mW cm?2和 (iii) 4.4 mW cm?2光強(qiáng)下，不同表面修飾生物界面上神經(jīng)元光刺激結(jié)果。左列為PLL修飾界面，右列為抗體修飾界面。(d) 簡(jiǎn)化的等效電路模型。(e) 不同表面修飾生物界面的Nyquist圖。(f) 高頻區(qū)Nyquist圖的擬合結(jié)果。

圖5. 在金陣列上實(shí)現(xiàn)細(xì)胞貼壁的空間調(diào)控。(a)在PLL修飾與抗體修飾的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au 陣列上培養(yǎng)的神經(jīng)元；(b) 抗體修飾的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au 陣列上神經(jīng)元的鈣離子熒光成像，虛線圓圈表示金電極的邊緣；(c) 光激活金陣列上單個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生的動(dòng)作電位；(d) 光照前后神經(jīng)元內(nèi)鈣離子濃度變化；(e) 細(xì)胞選擇性貼附于金陣列的示意圖，及可用于圖像識(shí)別應(yīng)用的柔性器件結(jié)構(gòu)示意圖；(f)貼附于曲面上的柔性光伏器件實(shí)物圖。

該研究成功開發(fā)了一種人工光感受器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠協(xié)同整合神經(jīng)元生長(zhǎng)空間的圖案化調(diào)控和增強(qiáng)神經(jīng)光激活功能。研究成果以“Antibody-Modified Photovoltaic Biointerface for Neural Stimulation”為題，發(fā)表于《ACS Nano》上。博士生歐玟為該工作的第一作者，姜倩晴博士和柳佃義博士為通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào): 2022YFC3401800）和西湖教育基金會(huì)的資助。

Ou, W.; Wen, N.; Deng, H.; Jiang, Q.; Liu, D. Antibody-Modified Photovoltaic Biointerface for Neural Stimulation. ACS Nano2025. DOI: 10.1021/acsnano.5c12629.

課題組負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介

柳佃義，西湖大學(xué)特聘研究員（獨(dú)立PI）。柳佃義博士課題組主要從事光電材料與器件相關(guān)領(lǐng)域的研究，研究?jī)?nèi)容包括透明太陽(yáng)能電池、人工生物葉片和可穿戴柔性電子等方面。至今已在Nat. Photonics、JACS、Joule、Science Advances等期刊上發(fā)表論文40余篇。2022年，創(chuàng)立中國(guó)第一家透明光伏公司--西湖光電，致力于推動(dòng)透明光伏和有機(jī)光伏的產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用。目前西湖光電研發(fā)的透明光伏組件效率和透光率均達(dá)到世界領(lǐng)先水平。2024年9月，西湖光電正式對(duì)外銷售大面積OPV樣品，并提供OPV制樣服務(wù)。

柳佃義團(tuán)隊(duì)主頁(yè)：http://nature.westlake.edu.cn

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