Имплантация крошечных солнечных батарей в глазные яблоки людей может показаться научной фантастикой, но именно над этим работает группа австралийских учёных. Технология нового 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, хирургически вживляемое во внутреннее ухо, которое стимулирует слуховой нерв, чтобы передавать звуковые сигналы непосредственно в мозг, улучшая слух.
Теперь исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) изучают, сможет ли подобная технология нейропротезирования восстановить зрение у людей с повреждёнными фоторецепторами — специализированными клетками сетчатки, способными поглощать свет и преобразовывать его в электрические сигналы, которые затем отправляются в зрительную кору головного мозга.
Чипы датчиков для камер обеспечивают высокое разрешение, экстремальную глубину цвета и всё большую чувствительность при низкой освещённости, но есть одна ключевая проблема: они нуждаются в питании. Страшно подумать, куда придётся засунуть батарею для матрицы в глазном яблоке, как её менять или заряжать. С другой стороны, есть и другая технология, способная превращать свет непосредственно в электричество, — солнечные фотоэлектрические панели.
«Люди с такими заболеваниями, как пигментный ретинит (ПР) и возрастная макулярная дегенерация (ВМД), медленно теряют зрение, поскольку фоторецепторы в центре глаза деградируют», — говорит Удо Рёмер, инженер, специализирующийся на фотовольтаике, известной как технология солнечных батарей. «Долгое время считалось, что биомедицинские имплантаты в сетчатке могут заменить повреждённые фоторецепторы. Один из способов сделать это — использовать электроды для подачи электрических импульсов, который может позволить людям видеть небольшое пятно».
Из света рождается зрение (обычно)
Когда свет попадает на сетчатку в задней части глаза, фоторецепторы преобразуют его в электрические сигналы. Эти сигналы проходят от сетчатки по зрительному нерву в мозг, где они преобразуются в изображение, которое вы видите.
Пигментный ретинит — это название группы 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 острое, прямолинейное зрение, что приводит к потере зрения в центральном поле зрения. В настоящее время не существует лекарства от ПР или ВМД.
Случайная встреча: объединение фотовольтаики и биомедицины
Поводом для начала исследования стала случайная встреча Рёмера со студентом-биомедиком.
«Я помогал аспиранту из нашей биомедицинской школы с обработкой данных, и мы провели несколько интересных дискуссий о различных исследованиях, которые ведутся в их группе, — рассказал Рёмер в интервью New Atlas. — Мне [очень] нравится работать над солнечными батареями, но многое из того, что они делают, очень интересно и звучит довольно футуристично. Его докторский проект был связан с солнечными батареями для нейростимуляции, и он показал мне научную работу группы Паланкера в Стэнфорде, посвящённую имплантации сетчатки глаза с помощью кремниевых солнечных батарей — вероятно, это одна из самых увлекательных работ, которые я читал, потому что она звучит как научная фантастика».
Поначалу Рёмера не привлекли уже проведённые исследования по использованию фотоэлектрических элементов для восстановления зрения, поэтому он отложил эту идею в сторону.
«Но это было нечто, что запомнилось мне, потому что это было потрясающе», — объясняет Рёмер. «Несколько месяцев спустя, когда я обсуждал исследовательский проект со своим руководителем, мы заговорили о многопереходных солнечных элементах, которые представляют собой несколько различных солнечных элементов, уложенных друг на друга, чтобы лучше использовать весь солнечный спектр. В этот момент меня осенило, и я подумал: «Может быть, такая укладка солнечных элементов позволит решить одну из проблем с устройством, над которым работает группа Паланкера?».
Штабелирование солнечных элементов и смена материала
По мнению Рёмера, проблемы группы Паланкера можно было решить, сложив солнечные батареи в стопку и изменив полупроводниковый материал, используемый в устройстве.
«Им нужно было соединить три крошечных кремниевых солнечных элемента в каждом из пикселей, чтобы увеличить напряжение до значения, достаточно высокого для надёжной стимуляции нейронов», — рассказал инженер изданию New Atlas. «Для того чтобы стимулировать нейроны, необходимо более высокое напряжение, чем то, которое вы получаете от одного солнечного элемента. Если представить фоторецепторы в виде пикселей, то нам действительно потребуется три солнечных элемента, чтобы создать напряжение, достаточное для отправки в мозг. Складывание солнечных элементов в стопку сделает то же самое [как и их соединение], но потенциально позволит уменьшить размер пикселей и, следовательно, повысить разрешение. Хотя мы не можем с лёгкостью складывать солнечные элементы из кремния, это можно сделать с помощью таких материалов, как арсенид галлия».
Кремний остаётся самым распространённым полупроводником, используемым в производстве солнечных батарей. Также используются другие материалы, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия галлия (GaInP). Хотя эти материалы не так дёшевы, как кремний, их преимущество в том, что их свойства легче настраивать.
После «довольно длительных исследований и некоторых расчётов» Рёмер подал заявку на получение премии Discovery Early Career Researcher Award (DECRA) в Австралийский исследовательский совет и добился финансирования проекта. После этого началась работа по усовершенствованию технологии.
«Уже были проведены испытания этой технологии», — говорит Рёмер. «Но проблема в том, что для этого нужно вводить провода в глаз, а это сложная процедура».
Альтернативная идея — использовать крошечную солнечную батарею, прикреплённую к глазному яблоку. Такая панель, естественно, будет автономной и портативной, что избавит от необходимости прокладывать провода в глаз.
Доказательство работоспособности концепции с огромным потенциалом
В настоящее время технология находится на стадии доказательства работоспособности концепции. Следующий шаг — превращение крошечных солнечных элементов в крошечные пиксели, необходимые для точного зрения.
«Пока что мы успешно разместили две солнечные батареи друг на друге в лаборатории на большой площади — около 1 см2 — и получили неплохие результаты», — говорит Рёмер. Он ожидает, что после всесторонних лабораторных испытаний и тестирования на животных площадь устройства составит около 2 мм2 с пикселями размером около 50 микрометров. К тому времени оно должно быть готово к испытаниям на людях, но до этого ещё далеко.
Рёмер отмечает, что устройство работает только тогда, когда на него светит лазер, и пациенты будут видеть только в чёрно-белом изображении с довольно низким разрешением.
«Следует отметить, что даже с учётом эффективности сложенных солнечных элементов, солнечный свет может быть недостаточно сильным для работы этих солнечных элементов, имплантированных в сетчатку», — говорит Рёмер. Возможно, людям придётся носить какие-то «умные» очки, которые будут работать в тандеме с солнечными батареями, способными усиливать солнечный сигнал до необходимой интенсивности, необходимой для надёжной стимуляции нейронов в глазу».
Он также уверяет, что устройство нельзя будет использовать в неблаговидных целях.
«Это действительно «всего лишь» медицинское устройство, которое может помочь пациентам с определёнными заболеваниями сохранить зрение», — сказал Рёмер в интервью New Atlas. «Мы далеки от создания киборгов».
