一种具有感觉的人造角膜及其制备方法

本发明属于半导体材料和器件领域，具体来说，涉及一种具有感觉的人造角膜及其制备方法。

背景技术：

1、角膜是位于眼睛前部的透明结构，它为眼睛提供聚焦能力，并为虹膜和晶状体等提供保护。角膜是身体神经最密集的部位，对外界刺激十分敏感，触摸角膜会引起眼睑闭合的非条件反射(即角膜反射)。然而，角膜病变会导致失明，全世界约有1000万人患有双侧角膜盲症。角膜移植术是治疗角膜盲症的最常用手段，但由于角膜供体的短缺，只有1/70的患者可以进行角膜移植。

2、为解决角膜供体的短缺问题，研究人员开发了多种类型的人造角膜，例如boston型，aurolab型，osteo-odonto型以及tibial bone型角膜假体等。据文献“the bostonkeratoprosthesis—the first 50years:some reminiscences”(见美国学术期刊《annualreview of vision science》2022年，第8卷，1-32页)报道，boston型人造角膜包含带阀杆的前板、背板和锁环三个主要部分，以聚甲烯丙烯酸甲酯(pmma)为基础材质，是世界上应用最广泛的人造角膜假体。尽管上述几种类型的人造角膜均可以帮助角膜盲症患者恢复基础的视力，但是它们不能像人类原生角膜一样具备触觉并实现角膜反射。因此，为弥补现有技术的不足，开发一种能够感知环境信息，实现角膜反射，并与人类神经系统相兼容的新型人造角膜对于角膜盲症患者的视力恢复具有重大意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种具有感觉的人造角膜及其制备方法。该人造角膜包括：传感器振荡电路作为感受器，将外界刺激转化为脉冲尖峰；人造突触器件作为信息处理核心，以传输和整合信息；放大电路放大并输出所需电压，以驱动电致变色器件；电致变色器件的颜色(透光率)随着外加电压增大而变深(降低)，将其作为致动器，以响应刺激。其制备方法为首先利用传感器、电容、电阻、二极管和导线等元器件搭建传感器振荡电路；其次在衬底上制备人造突触器件，以半导体作为沟道、在半导体表面蒸镀金属电极作为源极和漏极，将离子胶覆盖在半导体表面作为栅极介质；然后利用放大器、电阻、导线等元器件搭建放大电路；以pet/ito作为衬底，pedot:pss作为变色层，制备电致变色器件；最后将传感器振荡电路、人造突触器件、放大电路和电致变色器件依次连接，制成具有感觉的人造角膜。本发明所采用的方法赋予了人造角膜感觉，提高了传统人造角膜的智能化程度，为神经形态电子学和人造视觉义肢领域的发展提供了有益的指导。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种具有感觉的人造角膜，该系统的组成包括：传感器振荡电路、人造突触器件、放大电路和电致变色器件通过导线依次连接；

4、所述的传感器振荡电路具体为振动-传感器振荡电路或光-传感器振荡电路；

5、所述的人造突触器件具体为突触晶体管；

6、所述的放大电路具体为主要包含运算放大器和电阻的反向电压放大电路；

7、所述的电致变色器件具体是以pet为衬底，以pedot:pss为电致变色层，以含li离子的离子胶为导电层的两端器件。

8、所述的振动-传感器振荡电路的组成包括：电源vcc与555芯片的4脚(reset)及振动传感器的一端相连，传感器的另一端与555芯片的8脚(vcc)及电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端同时与555芯片的7脚(dis)、二极管d1的正极及电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与二极管d2的负极连接；555芯片的2脚(trig)与6脚(thr)相连后分别与二极管d1的负极、二极管d2的正极以及电容c2的一端连接，电容c2的另一端接地线；电容c1的两端分别与555芯片的5脚(ctrl)及地线连接；555芯片的1脚(gnd)接地线；555芯片的3脚(out)接输出；

9、所述的光-传感器振荡电路的组成包括：电源vcc与555芯片的4脚(reset)、8脚(vcc)及电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端同时与555芯片的7脚(dis)、二极管d1的正极及光敏电阻的一端连接，光敏电阻的另一端与二极管d2的负极连接；555芯片的2脚(trig)与6脚(thr)相连后分别与二极管d1的负极、二极管d2的正极以及电容c2的一端连接，电容c2的另一端接地线；电容c1的两端分别与555芯片的5脚(ctrl)及地线连接；555芯片的1脚(gnd)接地线；555芯片的3脚(out)接输出。

10、人造角膜中，振动-传感器振荡电路的输出端(vout)与人造突触器件的栅极相连接，突触器件的漏极与放大电路的输入端(vin)相连接，放大电路的输出端(vout)与电致变色器件的负极(-)相连接；

11、人造角膜中，光-传感器振荡电路的输出端(vout)与人造突触器件的栅极相连接，突触器件的漏极与放大电路的输入端(vin)相连接，放大电路的输出端(vout)与电致变色器件的负极(-)相连接。

12、所述的电致变色器件的结构由下到上依次为：第一衬底、离子胶层、电致变色层、第二衬底；第一衬底为器件的正极，第二衬底为器件的负极；第一衬底、第二衬底的材质相同，均为pet/ito。

13、所述的放大电路包括运算放大器的同相输入端接地线，运算放大器的反向输入端与电阻ra的一端及电阻rf的一端连接，电阻ra的另一端与电压信号输入端连接，电阻rf的另一端与运算放大器的输出端连接。

14、所述的一种具有感觉的人造角膜的制备方法，该方法步骤如下：

15、(1)利用传感器、电容、电阻、二极管和导线等元器件搭建传感器振荡电路；

16、(2)在衬底上制备人造突触器件；

17、(3)利用放大器、电阻ra和rf、导线等元器件搭建放大电路；

18、(4)以pet/ito作为衬底，pedot:pss作为电致变色层，含锂离子的离子胶作为导电层制备电致变色器件；

19、(5)利用导线上述步骤中制备的传感器振荡电路、人造突触器件、放大电路和电致变色器件依次连接，制成具有触觉的人造角膜；

20、步骤(4)中的变色层和导电层分别通过旋涂和刮涂制备在第二衬底和第一衬底上，然后相对贴合，制成垂直结构的两端电致变色器件。

21、所述的具有感觉的人造角膜的应用，用于角膜盲症患者的治疗，不仅有望缓解捐献角膜供体的不足，还提高了传统人造角膜的智能化程度，完善和丰富人造角膜的功能。

22、当外界物体触碰到振动-传感器振荡电路中的振动传感器，且触发力度大于1±0.7g时，振动传感器闭合，振荡电路输出一串电脉冲；电脉冲作为突触前刺激，由栅极输入到人造突触器件，该信号经突触器件处理后，产生突触后电流；突触后信号经过放大电路放大后输入到电致变色器件，驱动其发生颜色变化；当没有振动刺激时，电致变色器件呈现高透过率的浅蓝色；当有振动刺激时，电致变色器件在电驱动下变成深蓝色，进而降低了光透过率，实现光调节；

23、或者，当用光照射光-传感器振荡电路中的光敏电阻时，振荡电路输出一串电脉冲，且随着光照强度的增大，电脉冲频率逐渐增大；电脉冲作为突触前刺激，由栅极输入到人造突触器件，该信号经突触器件处理后，产生突触后电流，且光照越强，电脉冲频率越高，突触后电流越大；突触后信号经过放大电路放大后输入到电致变色器件，驱动其发生颜色变化；当没有光照射时，电致变色器件保持高透过率的浅蓝色；当有光照射时，电致变色器件在电驱动下，颜色加深，透过率降低，且随着光照强度的增大(22～583lx)，电脉冲频率增大(0.5～10hz)，突触后电流增大，进而使得电致变色器件的颜色逐渐加深(最大透过率约50％～30％)，即实现与环境的交互，实现光透过率的智能调节。

24、本发明的实质特点为：

25、当前技术中制备的人造角膜，实质上为类似于隐形眼镜的单个非电子的器件，采用pmma为基质材料制备具有光折射功能的透明器件，pmma具有良好的折光性和高透过率等，主要起光折射的作用；但是由于没有传感单元和信息处理核心，所以不具备感觉功能，无法实现角膜反射，智能化程度较低。此外，模仿人眼调光功能的器件都采用力驱动，通过力的大小调节通光孔的大小，进而模仿瞳孔的放大和缩小。

26、与之相比，本发明方法制备的人造角膜，以传感器、人造突触、电致变色器件等为核心器件，通过模仿人眼感觉和响应的神经环路，来达到感知外界刺激并根据环境变化做出响应的目的；通过集成传感器振荡电路，人造突触器件和电致变色器件等，采用人造突触器件作为处理核心、电致变色器件作为致动器，利用电致变色器件颜色的变化实现光调节，实现了感觉功能，在外界刺激下可完成角膜反射，在具有光折射能力的同时，还具有触觉和光感知功能。本发明集成了传感器和人造突触器件，使得其像人类原生角膜一样具备了感知能力，本发明提供了制备具有感觉的人造角膜的新方法，为神经形态电子学和人造视觉神经义肢等领域的系统设计和发展提供了支持。

27、本发明的有益效果为：

28、本发明提出了一种具有感觉的人造角膜及其制备方法，通过集成传感器振荡电路，人造突触器件，放大电路和电致变色器件，赋予其传统人造角膜所不具备的触觉和视觉等；本发明设计和制备了符合系统要求的人造突触器件和电致变色器件，通过设计和优化搭建了传感器振荡电路和放大电路，选配振动传感器和光敏电阻分别作为触觉和视觉感知元件，通过合理的电路连接，进而得到具有感觉的人造角膜；与传统的boston型人造角膜等相比，本发明方法制备的人造角膜具备相同的保护和折光功能，进一步实现了触觉/视觉感知(如图6，图7所示的，外界刺激下传感器振荡电路的响应信号，证明该系统具备感知能力)，可完成角膜反射，此外，在不同强度的环境光中可实现透光率的适应性变化，即可与环境进行交互从而更好地实现对眼睛的保护。本发明弥补了现有技术的不足，在神经形态电子学和人造视觉神经义肢等领域具有重要意义。