Ένα νέο βιονικό μάτι δίνει ελπίδα

 βιονικό μάτι

Ο αυξανόμενος επιπολασμός οφθαλμικών ασθενειών και σοβαρών οφθαλμικών τραυματισμών αύξησε τη ζήτηση για τεχνητά μάτια παγκοσμίως. Ωστόσο, τα τρέχοντα προσθετικά μάτια δεν μπορούν να αποκαταστήσουν την όραση. Τώρα οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει ένα βιομιμητικό, ηλεκτροχημικό βιονικό μάτι που έχει λειτουργικότητα ανίχνευσης εικόνας.

Το ανθρώπινο μάτι είναι η φύση στα καλύτερά της. Ένα ιδιαίτερα εξειδικευμένο και εκλεπτυσμένο όργανο που, λόγω του σφαιρικού σχήματός του και του ημισφαιρικού φωτοευαίσθητου αμφιβληστροειδή, είναι μια ακραία πρόκληση κατασκευής για βιομιμητικές συσκευές.

Τώρα οι επιστήμονες με επικεφαλής τον Zhiyong Fan και μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ, στην Κίνα, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια και το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley των ΗΠΑ, δημιούργησαν ένα «βιονικό» μάτι σχεδιασμένο με υψηλό βαθμό δομικής ομοιότητας με ένα ανθρώπινο μάτι και το οποίο έχει τη δυνατότητα να επιτύχει υψηλή ανάλυση απεικόνισης.

Το μάτι αποτελείται από ένα μεταλλικό κέλυφος στο μπροστινό μέρος, έναν τεχνητό αμφιβληστροειδή στο πίσω μέρος και ένα εσωτερικό ιοντικό υγρό: με το όνομα «EC-EYE» – συντομογραφία για το «ElectroChemical EYE»

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΑΚΟΜΑ

Το πιο περίπλοκο κομμάτι της κατασκευής ήταν πάντα ο αμφιβληστροειδής. Ο αμφιβληστροειδής περιέχει εκατομμύρια ευαίσθητα στο φως κύτταρα (ράβδους και κώνους) και άλλα νευρικά κύτταρα που λαμβάνουν και οργανώνουν οπτικές πληροφορίες. Καθώς το φως μπαίνει στο μάτι διαθλάται και εστιάζεται από τον κερατοειδή και τον φακό, δημιουργώντας μια καμπύλη εικόνα, αυτό σημαίνει ότι ο αμφιβληστροειδής πρέπει επίσης να είναι καμπυλωτός έτσι ώστε η εικόνα να μπορεί να εστιαστεί απότομα.

Εδώ έγκειται το πρόβλημα, οι ηλεκτρονικοί αισθητήρες φωτός είναι άκαμπτοι και επίπεδοι έτσι ώστε εάν κατασκευάζονται σε ένα επίπεδο, άκαμπτο υπόστρωμα – όπως έχει γίνει παραδοσιακά – και στη συνέχεια λυγίζουν ή μορφοποιούνται σε σχήμα, η πυκνότητα συσκευασίας των αισθητήρων είναι σχετικά χαμηλή και χώρος απαιτείται μεταξύ τους για να επιτρέπεται η κάμψη.

Το κλειδί για την επιτυχία εδώ ήταν λοιπόν η ομάδα που προετοίμασε τον ημισφαιρικό θόλο έτσι ώστε οι φωτοαισθητήρες να μπορούν να σχηματιστούν απευθείας μέσα στον τρούλο. Για να ξεκινήσουν, χρησιμοποίησαν ένα λεπτό φιλμ από μαλακό φύλλο αλουμινίου, διαμορφωμένο σε ημισφαιρικό σχήμα, στη συνέχεια μονώθηκαν ηλεκτροχημικά το οξείδιο του αργιλίου που σχηματίζει το φύλλο (Al2O3). Η μεμβράνη οξειδίου του αργιλίου περιείχε μια πυκνή σειρά νανοπόρων. Αυτά ήταν ιδανικά μέρη για να τοποθετηθούν οι ηλεκτρικοί φωτοαισθητήρες.

Εδώ έπαιξε ρόλο το δεύτερο αξιοσημείωτο μέρος του σχεδιασμού. Για να μιμηθεί το βιονικό μάτι τους φωτοϋποδοχείς του αμφιβληστροειδούς, η ομάδα χρησιμοποίησε περοβσκίτη (ιωδιούχο μόλυβδο φορμαμιδινίου), ένα αγώγιμο και ευαίσθητο στο φως υλικό που χρησιμοποιείται σε ηλιακά κύτταρα. Αυτά τα εξαιρετικά λεπτά νανοσύρματα περοβσκίτη σχηματίζονται απευθείας στους πόρους της μεμβράνης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια ηλεκτρική σύνδεση στο εξωτερικό κύκλωμα μέσω ενός άλλου σετ νανοσωλήνων αυτή τη φορά κατασκευασμένο από υγρό μέταλλο (ευτηκτικό κράμα γάλλιου-ινδίου) – που αναδύεται από το πίσω μέρος της συσκευής, μιμείται τις νευρικές ίνες και σφραγίζεται σε μαλακούς λαστιχένιους σωλήνες. Απίστευτα η ομάδα κατόρθωσε να επιτύχει πυκνότητα νανοκυμάτων 4,6 × 108 cm – 2, αυτό είναι πολύ μεγαλύτερο από την πυκνότητα των φωτοϋποδοχέων στον ανθρώπινο αμφιβληστροειδή που είναι ~ 107 cm – 2.

Στη συνέχεια, μια τεχνητή ίριδα και φακός αποτελούσαν το μπροστινό μέρος της συσκευής, με το ημισφαίριο του αμφιβληστροειδούς και ένα εμπρός αλουμίνιο – βολφράμιο με ημισφαιρικό κέλυφος που συνδυάζεται για να σχηματίσει τη σφαίρα του βολβού του ματιού. Για να μιμηθεί το υαλώδες υλικό, η συσκευή γέμισε με ιοντικό υγρό που επέτρεψε την ηλεκτρική ανταλλαγή που απαιτείται για τη λειτουργία των καλωδίων.

Η ομάδα κατάφερε να αποδείξει τη λειτουργία ανίχνευσης εικόνας της βιομιμητικής συσκευής ανακατασκευάζοντας οπτικά μοτίβα που προβάλλονται στη συσκευή. Το βιονικό μάτι θα μπορούσε να ανακατασκευάσει τα γράμματα E, I και Y σε μια οθόνη υπολογιστή. Το οπτικό πεδίο ήταν ελαφρώς πιο στενό από το στατικό ανθρώπινο μάτι, 100 ° σε σύγκριση με ~ 135 ° και μπορούσε να ανιχνεύσει ένα μεγάλο εύρος εντάσεων φωτός, από 0,3 μικροβάτ έως 50 milliwatts ανά τετραγωνικό εκατοστό. Η απόκριση των νανοαισθητήρων ήταν πολύ γρήγορη, τόσο για να αντιδράσει όσο και για να ανακάμψει μετά από διέγερση, ~ 19 ms και ~ 24ms, αντίστοιχα, ενώ οι φωτοϋποδοχείς στον αμφιβληστροειδή χρειάζονται περίπου 40 ms και 150 ms. Η συσκευή θα μπορούσε επίσης να ξεπεράσει τους επίπεδους αισθητήρες εικόνας παράγοντας εικόνες που είχαν μεγαλύτερη αντίθεση και ευκρινέστερες άκρες.

Συμπεράσματα και μελλοντικές εφαρμογές:

Το έργο που παρουσιάζεται στο Nature, αντιπροσωπεύει ένα πραγματικό βήμα προς τα εμπρός στον προσθετικό τομέα των ματιών. Προσφέρει απτές πιθανότητες αποκατάστασης της όρασης και δημιουργίας όρασης (στο ρομποτικό πεδίο). Ενώ, αυτό το έργο είναι πιθανό να επιταχύνει την πρόοδο της κλινικής, υπάρχουν ακόμη πολλά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν.

Ενώ αυτή η τεχνητή οπτική ματιά ταιριάζει και ξεπερνά ακόμη και το φυσικό μάτι σε ορισμένες πτυχές, έχει επί του παρόντος χαμηλή ανάλυση – αποτελούμενη από μόλις 100 pixel – που σημαίνει ότι η περιοχή ανίχνευσης φωτός έχει πλάτος μόνο περίπου 2 mm. Για να ξεπεραστεί αυτό, η ομάδα θα μπορούσε απλώς να αυξήσει την πυκνότητα των νανοσωλήνων σε μια μεγαλύτερη περιοχή – αυτό θα απαιτούσε από τους μηχανικούς να βρουν έναν πιο υψηλής απόδοσης τρόπο για την κατασκευή τέτοιων συστοιχιών, καθώς επί του παρόντος τα νανοσύρματα είναι προσαρτημένα ένα κάθε φορά. Ωστόσο, ένα πρόβλημα που μπορεί να είναι πιο δύσκολο να επιλυθεί είναι το πλάτος των υγρών, εξωτερικών νανοσωλήνων, τα οποία είναι περίπου 700 μm (σε διάμετρο). Προς το παρόν είναι πολύ ογκώδεις για μια υποδοχή ματιών και θα πρέπει να έχουν μέγεθος μόλις λίγα μm, προς το παρόν τα σύρματα υγρού μετάλλου δεν μπορούν να γίνουν τόσο καλά.

Η κατασκευή της συσκευής είναι επίσης ακριβή και αργή και προς το παρόν χρειάζεται εξωτερική ισχύ. Ελπίζουμε, ωστόσο, ότι η συσκευή μπορεί να είναι αυτο-τροφοδοτούμενη, με κάθε νανοσύρματο να λειτουργεί σαν μίνι ηλιακό κελί που τροφοδοτείται από τον περοβσκίτη και να τροφοδοτείται από το φως.

Ενώ η βιοσυμβατότητα και η διάρκεια ζωής για το βιονικό μάτι δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί, η πραγματική πρόκληση θα είναι πώς να συνδέσετε τη συσκευή στο οπτικό νεύρο. Ωστόσο, ο αντίκτυπος ενός βιομιμητικού ματιού δεν μπορεί να υποτιμηθεί και αυτό το έργο μας δίνει μια απτή πιθανότητα να δούμε τεχνητά μάτια σε ένα ευρύ φάσμα χρήσεων μέσα στην επόμενη δεκαετία.

Επιστημονικό Άρθρο:

Gu, L., S. Poddar, Y. Lin, Z. Long, D. Zhang, Q. Zhang, L. Shu, X. Qiu, M. Kam, A. Javey and Z. Fan (2020). “A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina”. Nature 581(7808): 278-282.


Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Δημοσθένης Γκερλιώτης

Σπούδασα Ιστορία και Φιλοσοφία της Επιστήμης (Ε.Κ.Π.Α.) με μεταπτυχιακή ειδίκευση στις σπουδές Επιστήμης και Τεχνολογίας, τα ενδιαφέροντα μου είναι οι Βιοεπιστήμες, η Βιοτεχνολογία και ζητήματα πολιτικής και δικαίου σε σχέση με την Τεχνολογία.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;