西湖大学ACS Nano 抗体修饰的光伏-生物界面用于神经细胞的激活

视网膜退行性疾病伴随光感受器丧失，为视觉功能的恢复带来了重大挑战。基于人工光感受器的视网膜假体是治疗视网膜退行性疾病的一种策略，且视网膜假体绕过受损的光感受器直接刺激存活的视网膜神经节细胞，在晚期及终末期视网膜变性中展现出独特的治疗优势。在人工光感受器的发展过程中，如何通过简易方法构建生物相容性神经界面，使其能够在低光强下实现高效神经刺激并模拟视觉分辨率，仍是当前面临的挑战。

针对这一挑战，西湖大学柳佃义课题组开发了一种抗体修饰的光伏-生物界面，该界面使用有机半导体材料作为吸光材料，替代自然界的视网膜感光色素，在有机半导体薄膜上培养神经细胞，代替视觉神经。有机半导体-神经界面不但能够提升低光强照射下的神经元刺激成功率，同时又能实现神经元生长空间的图案化调控。该研究显著降低了体外神经元光激活体系所需光照强度阈值，将现有体外神经元光激活体系所需的光强降低了一个数量级。培养于该生物界面上的神经元，可在低于5 mW cm⁻²的光照强度下被成功激活。借助抗体修饰界面的特异性靶向功能，该界面实现了神经元生长的空间可控图案化，进而构建出具有阵列结构的神经网络。

研究亮点：

1.本文通过构建光伏设备与神经元之间的抗体修饰生物界面，展示了一种能显著增强神经刺激灵敏度和选择性的有效策略。

2.培养在该生物界面上的神经元可在低于5 mW cm⁻²的光照强度下被成功激活，该激活光强低于传统人工视网膜假体所需的光照条件，是现有体外神经元光激活所需的最低光强，极大提升了人工视网膜假体的光响应灵敏度。

3.借助抗体修饰界面的特异性靶向功能，在金阵列上实现了神经元生长区域的阵列化分布。

图1. 抗体修饰与器件性能。(a) 光伏器件结构及光电流测试的示意图；(b) 不同结构器件的性能表现；A.L.：P3HT:PCBM；(c) 抗体在ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au表面的生物偶联过程；(d) 抗体修饰生物界面的示意图；(e) 在138.4 mW cm−2光照下，表面具有抗体修饰与未修饰的器件光电流波形对比；(f) 不同光照强度下表面进行抗体修饰与未修饰的器件光电流响应。

图2. 不同表面处理后生物界面上的细胞活性。(a)在ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au上对表面不处理、氧等离子体处理、PLL处理及抗体修饰后，培养14天的原代海马神经元；(b) 细胞活性荧光染色结果，显示培养14天的细胞存活状态。

图3. 抗体修饰的生物界面对原代海马神经元的光刺激调控。(a)膜片钳电生理测试示意图。 (b) TTX (1 μM) 添加前后，抗体修饰界面上神经元在光刺激下的膜电位轨迹。(c) 138.4 mW cm−2光强，不同频率光刺激下的神经活动。(d) 不同光强下的神经激活。(e) 不同光强下，光激活神经元产生的典型动作电位。光脉冲参数：5 Hz，50 ms。(f) 不同光强下神经元的平均放电延迟。

图4. 不同表面修饰生物界面对神经元的光调控性能。(a)不同光强下能够被光激活的神经元占比；(b) 各响应细胞中光激活产生动作电位的成功率； (c) 在 (i) 17.6 mW cm−2、(ii) 8.7 mW cm−2和 (iii) 4.4 mW cm−2光强下，不同表面修饰生物界面上神经元光刺激结果。左列为PLL修饰界面，右列为抗体修饰界面。(d) 简化的等效电路模型。(e) 不同表面修饰生物界面的Nyquist图。(f) 高频区Nyquist图的拟合结果。

图5. 在金阵列上实现细胞贴壁的空间调控。(a)在PLL修饰与抗体修饰的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au 阵列上培养的神经元；(b) 抗体修饰的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Au 阵列上神经元的钙离子荧光成像，虚线圆圈表示金电极的边缘；(c) 光激活金阵列上单个神经元产生的动作电位；(d) 光照前后神经元内钙离子浓度变化；(e) 细胞选择性贴附于金阵列的示意图，及可用于图像识别应用的柔性器件结构示意图；(f)贴附于曲面上的柔性光伏器件实物图。

该研究成功开发了一种人工光感受器系统，该系统能够协同整合神经元生长空间的图案化调控和增强神经光激活功能。研究成果以“Antibody-Modified Photovoltaic Biointerface for Neural Stimulation”为题，发表于《ACS Nano》上。博士生欧玟为该工作的第一作者，姜倩晴博士和柳佃义博士为通讯作者。这项工作得到了国家重点研发计划（编号: 2022YFC3401800）和西湖教育基金会的资助。

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

课题组负责人简介

柳佃义，西湖大学特聘研究员（独立PI）。柳佃义博士课题组主要从事光电材料与器件相关领域的研究，研究内容包括透明太阳能电池、人工生物叶片和可穿戴柔性电子等方面。至今已在Nat. Photonics、JACS、Joule、Science Advances等期刊上发表论文40余篇。2022年，创立中国第一家透明光伏公司--西湖光电，致力于推动透明光伏和有机光伏的产业化推广和应用。目前西湖光电研发的透明光伏组件效率和透光率均达到世界领先水平。2024年9月，西湖光电正式对外销售大面积OPV样品，并提供OPV制样服务。

柳佃义团队主页：http://nature.westlake.edu.cn

联系邮箱：liudianyi@westlake.edu.cn

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