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南京大学徐飞教授 AFM:具有高环境稳定性的眼压监测智能隐形眼镜
2024-04-17  来源:高分子科技

  近日,南京大学徐飞教授和江苏省人民医院袁松涛主任联合团队提出了一种对环境介电特性具有高鲁棒性的眼压监测智能隐形眼镜。通过飞秒激光直写技术在PDMS材质的介电弹性体内构建微气泡阵列,以实现器件对压力信号的增敏,相对灵敏度达到1.15 ‰ mmHg-1。在电感线圈内外两侧采用了铜基微槽屏蔽层,通过将寄生电场局限在隐形眼镜的内部,有效抵御了外周环境介电变化对器件谐振频率的影响。确保了智能隐形眼镜对于不同人群在复杂动态环境下的准确眼压测量,为眼镜在实际场景下的抗干扰性提供了保障。


  基于LCR谐振子的柔性传感器具有无电池、无芯片的无线工作能力,在与隐形眼镜集成并进行眼压监测方面具有很好的使用潜力。然而人眼处于一个动态环境中,眼泪的不断更新使隐形眼镜所处的环境的介电特性不断变化。LCR谐振子传感器是一种模拟型传感器,其用于解调眼压的谐振频率信号易收到周围环境的干扰。尤其是电感电容走线的寄生电容的电场,易辐射至隐形眼镜之外,环境的介电特性将影响器件的谐振频率。


  徐飞教授和袁松涛主任联合团队针对以上痛点,引入了微槽屏蔽层,实现了一种高环境稳定性的无线LCR眼压监测智能隐形眼镜。首先,介电弹性体中通过飞秒激光直写技术引入阵列化气泡微结构,有效降低器件的弹性模量,实现传感器的增敏。其次,微槽屏蔽层的引入有效提升了智能隐形眼镜对周围介电环境的抗干扰性,面向泪液离子浓度变化、角膜个体差异和重复佩戴等场景下提升了器件的鲁棒性,且微槽结构的设计优化保证了LCR谐振子的品质因子。同时,LCR谐振子完全封装于pHEMA水凝胶的内部,有效提升了隐形眼镜的安全性和舒适性。细胞毒性测试和比吸收率模拟表明智能隐形眼镜具有高的生物相容性。 


图1 高环境稳定性眼压监测智能隐形眼镜的设计和原理及生物相容性


  金属屏蔽层将电感线圈的寄生电场局限在线圈层和屏蔽层之间,屏蔽了外周环境介电特性变化对寄生电容产生的影响,提高了智能隐形眼镜的抗干扰性。在金属屏蔽层内引入微槽的微结构,抑制了涡流的产生,保障了LCR谐振子的品质因子。 


图2 微槽屏蔽层的设计和优化


  得益于优异的灵敏度、稳定性,和pHEMA水凝胶的柔性、亲水、高透氧,隐形眼镜在离体猪眼模型上成功实现无线眼压监测。眼压传感的灵敏度为1.15‰ mmHg-1 


图3 离体猪眼上智能隐形眼镜眼压传感表征


  在10只不同的猪眼上各重复佩戴10次,共计100次。平均频率的波动还是标准差的大小,未屏蔽样品均显著高于屏蔽样品,体现了微槽屏蔽层对智能隐形眼镜抵抗外周介电环境干扰的提升作用。 


图4 面向不同离体猪眼上重复佩戴的抗干扰性测试


  总结:该工作通过在介电弹性体内利用飞秒激光直写技术构建微气泡阵列,实现传感器的高灵敏度,能够实时的监测眼压的波动。同时,引入微槽屏蔽层,提升了传感器在不同泪液代谢物浓度、角膜个体差异和反复佩戴等动态复杂环境下的稳定性。将环境变化带来的影响控制在3 mmHg以内,提高了面向所有人群的可穿戴性,为眼压日常健康监测的实现铺平了道路。


  该工作以 “Intraocular Pressure Monitoring Smart Contact Lens with High Environmental Stability ” 于2024年4月9日发表在 Advanced Functional Materials上【Adv. Funct. Mater. 2024, 2400722】。南京大学徐飞教授为文章的通讯作者,南京大学博士生杨欢朱衡天为文章的共同第一作者,博士生刘瀚文和硕士生毛正艺对实验作出了重要贡献。同时,江苏省人民医院袁松涛主任和胡仔仲医生对实验设计提供了宝贵意见,对动物实验提供了重要帮助。南京鼓楼医院陈泉池博士、南京大学化学与化工学院江德臣教授、研究员潘荣容和博士生马圆圆对生物相容性测试鼎力支持。该研究得到国家自然科学基金(61925502)支持。


  文章链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202400722

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(责任编辑:xu)
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