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南京大學徐飛教授 AFM:具有高環境穩定性的眼壓監測智能隱形眼鏡
2024-04-17  來源:高分子科技

  近日,南京大學徐飛教授和江蘇省人民醫院袁松濤主任聯合團隊提出了一種對環境介電特性具有高魯棒性的眼壓監測智能隱形眼鏡。通過飛秒激光直寫技術在PDMS材質的介電彈性體內構建微氣泡陣列,以實現器件對壓力信號的增敏,相對靈敏度達到1.15 ‰ mmHg-1。在電感線圈內外兩側采用了銅基微槽屏蔽層,通過將寄生電場局限在隱形眼鏡的內部,有效抵御了外周環境介電變化對器件諧振頻率的影響。確保了智能隱形眼鏡對于不同人群在復雜動態環境下的準確眼壓測量,為眼鏡在實際場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電池、無芯片的無線工作能力,在與隱形眼鏡集成并進行眼壓監測方面具有很好的使用潛力。然而人眼處于一個動態環境中,眼淚的不斷更新使隱形眼鏡所處的環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,其用于解調眼壓的諧振頻率信號易收到周圍環境的干擾。尤其是電感電容走線的寄生電容的電場,易輻射至隱形眼鏡之外,環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合團隊針對以上痛點,引入了微槽屏蔽層,實現了一種高環境穩定性的無線LCR眼壓監測智能隱形眼鏡。首先,介電彈性體中通過飛秒激光直寫技術引入陣列化氣泡微結構,有效降低器件的彈性模量,實現傳感器的增敏。其次,微槽屏蔽層的引入有效提升了智能隱形眼鏡對周圍介電環境的抗干擾性,面向淚液離子濃度變化、角膜個體差異和重復佩戴等場景下提升了器件的魯棒性,且微槽結構的設計優化保證了LCR諧振子的品質因子。同時,LCR諧振子完全封裝于pHEMA水凝膠的內部,有效提升了隱形眼鏡的安全性和舒適性。細胞毒性測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 高環境穩定性眼壓監測智能隱形眼鏡的設計和原理及生物相容性


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


圖2 微槽屏蔽層的設計和優化


  得益于優異的靈敏度、穩定性,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現無線眼壓監測。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佩戴10次,共計100次。平均頻率的波動還是標準差的大小,未屏蔽樣品均顯著高于屏蔽樣品,體現了微槽屏蔽層對智能隱形眼鏡抵抗外周介電環境干擾的提升作用。 


圖4 面向不同離體豬眼上重復佩戴的抗干擾性測試


  總結:該工作通過在介電彈性體內利用飛秒激光直寫技術構建微氣泡陣列,實現傳感器的高靈敏度,能夠實時的監測眼壓的波動。同時,引入微槽屏蔽層,提升了傳感器在不同淚液代謝物濃度、角膜個體差異和反復佩戴等動態復雜環境下的穩定性。將環境變化帶來的影響控制在3 mmHg以內,提高了面向所有人群的可穿戴性,為眼壓日常健康監測的實現鋪平了道路。


  該工作以 “Intraocular Pressure Monitoring Smart Contact Lens with High Environmental Stability ” 于2024年4月9日發表在 Advanced Functional Materials上【Adv. Funct. Mater. 2024, 2400722】。南京大學徐飛教授為文章的通訊作者,南京大學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實驗作出了重要貢獻。同時,江蘇省人民醫院袁松濤主任和胡仔仲醫生對實驗設計提供了寶貴意見,對動物實驗提供了重要幫助。南京鼓樓醫院陳泉池博士、南京大學化學與化工學院江德臣教授、研究員潘榮容和博士生馬圓圓對生物相容性測試鼎力支持。該研究得到國家自然科學基金(61925502)支持。


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

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