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南京大學(xué)徐飛教授 AFM:具有高環(huán)境穩(wěn)定性的眼壓監(jiān)測(cè)智能隱形眼鏡
2024-04-17  來(lái)源:高分子科技

  近日,南京大學(xué)徐飛教授和江蘇省人民醫(yī)院袁松濤主任聯(lián)合團(tuán)隊(duì)提出了一種對(duì)環(huán)境介電特性具有高魯棒性的眼壓監(jiān)測(cè)智能隱形眼鏡。通過(guò)飛秒激光直寫技術(shù)在PDMS材質(zhì)的介電彈性體內(nèi)構(gòu)建微氣泡陣列,以實(shí)現(xiàn)器件對(duì)壓力信號(hào)的增敏,相對(duì)靈敏度達(dá)到1.15 ‰ mmHg-1。在電感線圈內(nèi)外兩側(cè)采用了銅基微槽屏蔽層,通過(guò)將寄生電場(chǎng)局限在隱形眼鏡的內(nèi)部,有效抵御了外周環(huán)境介電變化對(duì)器件諧振頻率的影響。確保了智能隱形眼鏡對(duì)于不同人群在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下的準(zhǔn)確眼壓測(cè)量,為眼鏡在實(shí)際場(chǎng)景下的抗干擾性提供了保障。


  基于LCR諧振子的柔性傳感器具有無(wú)電池、無(wú)芯片的無(wú)線工作能力,在與隱形眼鏡集成并進(jìn)行眼壓監(jiān)測(cè)方面具有很好的使用潛力。然而人眼處于一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境中,眼淚的不斷更新使隱形眼鏡所處的環(huán)境的介電特性不斷變化。LCR諧振子傳感器是一種模擬型傳感器,其用于解調(diào)眼壓的諧振頻率信號(hào)易收到周圍環(huán)境的干擾。尤其是電感電容走線的寄生電容的電場(chǎng),易輻射至隱形眼鏡之外,環(huán)境的介電特性將影響器件的諧振頻率。


  徐飛教授和袁松濤主任聯(lián)合團(tuán)隊(duì)針對(duì)以上痛點(diǎn),引入了微槽屏蔽層,實(shí)現(xiàn)了一種高環(huán)境穩(wěn)定性的無(wú)線LCR眼壓監(jiān)測(cè)智能隱形眼鏡。首先,介電彈性體中通過(guò)飛秒激光直寫技術(shù)引入陣列化氣泡微結(jié)構(gòu),有效降低器件的彈性模量,實(shí)現(xiàn)傳感器的增敏。其次,微槽屏蔽層的引入有效提升了智能隱形眼鏡對(duì)周圍介電環(huán)境的抗干擾性,面向淚液離子濃度變化、角膜個(gè)體差異和重復(fù)佩戴等場(chǎng)景下提升了器件的魯棒性,且微槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化保證了LCR諧振子的品質(zhì)因子。同時(shí),LCR諧振子完全封裝于pHEMA水凝膠的內(nèi)部,有效提升了隱形眼鏡的安全性和舒適性。細(xì)胞毒性測(cè)試和比吸收率模擬表明智能隱形眼鏡具有高的生物相容性。 


圖1 高環(huán)境穩(wěn)定性眼壓監(jiān)測(cè)智能隱形眼鏡的設(shè)計(jì)和原理及生物相容性


  金屬屏蔽層將電感線圈的寄生電場(chǎng)局限在線圈層和屏蔽層之間,屏蔽了外周環(huán)境介電特性變化對(duì)寄生電容產(chǎn)生的影響,提高了智能隱形眼鏡的抗干擾性。在金屬屏蔽層內(nèi)引入微槽的微結(jié)構(gòu),抑制了渦流的產(chǎn)生,保障了LCR諧振子的品質(zhì)因子。 


圖2 微槽屏蔽層的設(shè)計(jì)和優(yōu)化


  得益于優(yōu)異的靈敏度、穩(wěn)定性,和pHEMA水凝膠的柔性、親水、高透氧,隱形眼鏡在離體豬眼模型上成功實(shí)現(xiàn)無(wú)線眼壓監(jiān)測(cè)。眼壓傳感的靈敏度為1.15‰ mmHg-1。 


圖3 離體豬眼上智能隱形眼鏡眼壓傳感表征


  在10只不同的豬眼上各重復(fù)佩戴10次,共計(jì)100次。平均頻率的波動(dòng)還是標(biāo)準(zhǔn)差的大小,未屏蔽樣品均顯著高于屏蔽樣品,體現(xiàn)了微槽屏蔽層對(duì)智能隱形眼鏡抵抗外周介電環(huán)境干擾的提升作用。 


圖4 面向不同離體豬眼上重復(fù)佩戴的抗干擾性測(cè)試


  總結(jié):該工作通過(guò)在介電彈性體內(nèi)利用飛秒激光直寫技術(shù)構(gòu)建微氣泡陣列,實(shí)現(xiàn)傳感器的高靈敏度,能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)眼壓的波動(dòng)。同時(shí),引入微槽屏蔽層,提升了傳感器在不同淚液代謝物濃度、角膜個(gè)體差異和反復(fù)佩戴等動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。將環(huán)境變化帶來(lái)的影響控制在3 mmHg以內(nèi),提高了面向所有人群的可穿戴性,為眼壓日常健康監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路。


  該工作以 “Intraocular Pressure Monitoring Smart Contact Lens with High Environmental Stability ” 于2024年4月9日發(fā)表在 Advanced Functional Materials上【Adv. Funct. Mater. 2024, 2400722】。南京大學(xué)徐飛教授為文章的通訊作者,南京大學(xué)博士生楊歡朱衡天為文章的共同第一作者,博士生劉瀚文和碩士生毛正藝對(duì)實(shí)驗(yàn)作出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí),江蘇省人民醫(yī)院袁松濤主任和胡仔仲醫(yī)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了寶貴意見,對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提供了重要幫助。南京鼓樓醫(yī)院陳泉池博士、南京大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院江德臣教授、研究員潘榮容和博士生馬圓圓對(duì)生物相容性測(cè)試鼎力支持。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(61925502)支持。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202400722

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