小巧柔韧、生物相容
光学刺激有显著的物理优势,但技术要求颇具挑战性。知名的内耳生理学研究者、人工耳蜗领域光遗传学顶尖专家Moser教授在寻找合适光源的过程中,联系上了Schwarz教授。Schwarz教授自2001年开始就在欧司朗光电半导体公司深入研究 LED 和激光二极管。然而,薄膜技术和 LED 小型化的联合项目一般针对的是汽车大灯、电视和小型化显示器等领域的应用。
在小型化高功率 LED 常见技术路径的基础上,Uli Schwarz专注于更小的、可植入的解决方案。所有可用的 LED 都太大、太硬,无法大量植入耳蜗。必须开发微型LED,并将其结合到柔韧的基片上。 “要想在耳朵里使用,它们必须非常小,具有柔韧性和生物相容性(不会引起人体排斥)。” Schwarz解释说。 “由于只有微小的纽扣电池供电,它们还需要非常节能。而且需要非常快的声音通道,这样人们才可以定位来自不同方向的声音,比如传播时间仅相差毫秒的声音。”这是半导体发展中的一个未知领域。
光遗传学:光开关
2014 年实现了第一个里程碑。微小的蓝色薄膜 LED 被集成在聚合物中,并嵌入到老鼠的耳朵中。但要想真正刺激听觉,就需要一个“光开关”。这一领域的研究被称为光遗传学。神经细胞天生对光线不敏感,因此如果要被光刺激,则需要对其进行适应。将光敏蛋白引入听觉神经细胞可以使其光敏,这样它们在受到刺激时就会发出神经脉冲。
研究里程碑:临床试验
该项目在生物医学和技术这两个研究领域都取得了巨大进展。Moser教授于 2008 年在哥廷根演示了内耳的光刺激。现在,他的研究团队已证明,对耳部神经细胞实行局部光刺激也是可行的,高频分辨能力已经与高时间精度成功结合。
“我们背后还有很多艰巨的研究工作。现在我们正在攻克人工耳蜗的技术难题。下一个里程碑是进行人工耳蜗的临床试验。” Schwarz说。
由于人工耳蜗通常在出生一年后植入,它们必须像起搏器一样在人体内终生发挥作用。因此,研究小组正致力于对光源进行密封封装,并减少内耳中材料的数量。使用红光代替蓝光是因为红光能更好、更温和地刺激细胞。
为了支付巨额开发成本,Moser和Schwarz领导的研究团队于2019年创立了 OptoGenTech 公司,旨在开发、生产和销售多通道光学刺激器。Schwarz说:“我们需要柔性电子元件,同样,我们也需要用于医疗用品的柔性光电元件。”由此,基于半导体的人工耳蜗,以及Moser和Schwarz的设想有望成为现实:利用光使聋人和听障人士享受音乐,并以全新的方式参与到社会生活的各个方面。