熱和光學(xué)安全。

圖9、操作過程中的溫度變化。

根據(jù)有源植入式醫(yī)療器械熱安全標(biāo)準(zhǔn)，植入物表面的最高溫度不應(yīng)超過周圍正常體溫37℃以上2℃。我們在空氣中測量了在全場脈沖照明下連續(xù)工作2小時后，POLYRETINA表面溫度的升高(圖9a，b)。輻照度已設(shè)置為LED允許的最大值。穩(wěn)態(tài)下平均熱增量為1.24±0.29℃，低于2℃的標(biāo)準(zhǔn)限值。說明POLYRETINA符合熱學(xué)安全標(biāo)準(zhǔn)。我們還驗(yàn)證了電極和聚合物表面的溫度升高并沒有不同(圖9c，d)。無論如何，這個實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的是投射恒定全白畫面的極端情況，而在日常操作中，當(dāng)圖像以黑白顯示時，這種情況是不現(xiàn)實(shí)的。在這種情況下，平均光劑量較低，因此相關(guān)的溫度升高也較低。此外，眼睛玻璃體的導(dǎo)熱性比空氣高出約30倍，因此散熱效率更高。

在光學(xué)安全方面，光電義眼受到光照射時視網(wǎng)膜損傷的限制。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，長期照射整個POLYRETINA(相當(dāng)于一個全白框)時的最大允許照射量(MPE)受光熱損傷的控制，等于328.75μW mm-2。然而，光電假體是在脈沖照明下工作的。如果脈沖時間為10ms，占空比為5%、10%或20%(分別為5、10或20Hz)，則MPE分別增至6.58、3.29或1.64mW mm-2。這些值都高于視網(wǎng)膜外植體的飽和值(1.08mW mm-2)。

圖10、基于POLYRETINA的熱效應(yīng)有限元模擬。

對于POLYRETINA，入射光首先被P3HT：PCBM層吸收。實(shí)驗(yàn)測得POLYRETINA的平均透射率為49.07±5.25%。因此，只有部分入射光到達(dá)視網(wǎng)膜和視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)，從而減少了因RPE吸收光而導(dǎo)致的視網(wǎng)膜加熱效應(yīng)。不過，P3HT：PCBM吸收的光會產(chǎn)生熱量，這一點(diǎn)在評估MPE時應(yīng)考慮在內(nèi)。我們進(jìn)行了有限元分析模擬，以估算POLYRETINA光照時視網(wǎng)膜的溫度升高情況。首先，我們使用在沒有POLYRETINA的情況下獲得的MPE(分別為328和1.64mW mm-2)驗(yàn)證了連續(xù)和脈沖(10ms脈沖，20Hz)照明時RPE視網(wǎng)膜界面的溫度升高。連續(xù)照射(560nm，328μW mm-2)150秒后，溫度上升穩(wěn)定在0.42°C。脈沖光照(10ms脈沖，頻率20Hz，1.64毫瓦毫米-2)產(chǎn)生的溫度峰值約為0.04°C，在與連續(xù)光照相對應(yīng)的溫度曲線附近擺動。這表明在脈沖刺激(占空比為20%)期間估計(jì)MPE的比例因子5是正確的。為了降低計(jì)算成本，在接下來的模擬中使用了連續(xù)照明。使用POLYRETINA時，經(jīng)過150秒的連續(xù)光照(560nm，328μW mm-2)后，溫度升高略微降低到0.37°C(圖10a，b)。在這種情況下，關(guān)鍵界面是視網(wǎng)膜和假體之間的界面，與RPE-視網(wǎng)膜界面相比，溫度增幅略高。POLYRETINA是在與視網(wǎng)膜直接接觸的情況下進(jìn)行模擬的，因?yàn)檫@代表了最壞的情況。在視網(wǎng)膜和POLYRETINA之間有一薄層玻璃體(100微米)，使溫度升高降低了0.009°C，可以忽略不計(jì)。視網(wǎng)膜的熱損傷需要局部溫度上升超過10°C；視網(wǎng)膜50%損傷概率(ED50)先前已被定義為溫度上升12.5°C。在我們的模型中，我們估算了有POLYRETINA(紅色)和無POLYRETINA(黑色)時的ED50(圖10c)。不出所料，有POLYRETINA時，持續(xù)照明的ED50稍高(10.6對9.4mW mm-2)，對應(yīng)脈沖照明的53mW mm-2。對使用和不使用POLYRETINA的情況進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在廣泛的輻照范圍內(nèi)，使用POLYRETINA時視網(wǎng)膜的溫度升高降低了11%。因此，MPE可以略微提高到1.84mW mm-2，而POLYRETINA可以安全地在1mW mm-2下工作。

討論

視網(wǎng)膜假體領(lǐng)域最重要的未決問題之一是如何同時提高視敏度和視野大小。從工程學(xué)的角度來看，這意味著要增加刺激電極的密度和擴(kuò)大假體的尺寸。POLYRETINA是一種新型可折疊光電寬視場視網(wǎng)膜假體，與其他視網(wǎng)膜假體相比，它的尺寸(46.3度)和刺激像素數(shù)量(2215個)都有顯著增加。

在視野方面，POLYRETINA可以覆蓋46.3度視角的視網(wǎng)膜表面，大于法定失明(20度)和適當(dāng)活動能力(30度)的臨界值。

關(guān)于空間分辨率，連續(xù)半導(dǎo)體層的存在并不構(gòu)成限制。在有機(jī)光伏技術(shù)中，低載流子遷移率和壽命限制了載流子的傳輸長度，對于空穴來說是幾十納米，對于電子來說是幾百納米。另一個研究小組的研究表明，如果將照明光點(diǎn)(大小為1微米)從電極邊緣橫向移動約12微米，陰極檢測到的PC將減小到最大值的10%左右。

這種超出簡單擴(kuò)散過程的大衰減長度是由穩(wěn)態(tài)非局部電場導(dǎo)致分離的載流子橫向流動所引起的。因此，可以排除由于一個電極下產(chǎn)生的電荷載流子橫向流向相鄰電極而導(dǎo)致的電極間內(nèi)部串?dāng)_(至少在邊緣到邊緣的距離約為20微米時)。通過測量溶液中的電壓擴(kuò)散和有限元分析模擬，我們發(fā)現(xiàn)1個像素的激活區(qū)域(約100微米)與像素大小相當(dāng)。