可穿戴式隐形眼镜眼压传感器是一种搭载在隐形眼镜上的柔性压力传感器，能够实现对高危人群眼压的实时、连续监测，为早期诊断和治疗青光眼提供丰富的数据信息。然而，由于传感器上方紧贴眼睑，下方紧临眼球，实际应用中不可避免的眨眼、眼球转动等干扰因素，会引起较大的测量误差。因此，临床实践中迫切需要研发克服切向力干扰的柔性隐形眼镜眼压传感器，实现眼压的高精度连续测量。
近日，南京医科大学生物医学工程与信息学院胡本慧教授团队与附属医院合作，提出利用自润滑层设计，制备了一种抗干扰、超灵敏的连续监测眼压的隐形眼镜传感器。该工作发表于 ACS Sensors (中科院分区：一区, 影响因子：9.618)，题目为 “Contact Lens Sensor with Anti-jamming Capability and High Sensitivity for Intraocular Pressure Monitoring” 。
该课题组首先利用银纳米片和PEDOT:PSS混合制备电阻变化敏感的弹性薄膜，并与带缺口的刚性环连接共同组成传感层，刚性环将眼压变化引起的应力改变集中在弹性薄膜上，放大形变导致的电阻信号变化（图1a）。随后传感层底部自粘合在由PDMS-PVA制成的基底层上，传感层顶部覆盖由聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA) 和PDMS混合而成的自润滑层，通过其脊状微结构实现极低的摩擦系数，模拟仿真和模拟眼实验结果标明（图1c,d），自润滑层能够有效消减眨眼、眼球转动时眼睑摩擦传感器表面造成的信号干扰（图1e）。
图一，隐形眼镜传感器构造示意图及传感润滑机制示意图
作者研究了在眼压变化过程中，电阻敏感弹性薄膜内部结构的微观形变以揭示其在低应变下的高灵敏度传感机制。扫描电镜显示PEDOT:PSS作为导电桥有助于加密导电网络，形变产生的微裂纹引起银钠米颗粒的重叠区域发生重排，改变了整体网络的导电性，引起电阻变化。实验结果表明拉伸力释放后这些微裂纹虽然仍存在，但银纳米颗粒的重叠区域会恢复到初始状态，从而验证了微裂纹引起阻值变化的可重复性（图2a-c）。随后研究了银纳米片与PEDOT:PSS的比例对灵敏度的影响。当比例为5:10时，电阻对应变的线性响应最佳（图2d-g）。进一步通过模拟眼验证了传感器的相对电阻与眼压呈线性关系。传感器增压和减压的响应时间分别为167 ms和417 ms（图2h）。2500个周期循环测试结果验证了传感器的稳定性（图2i,j）。
图二，微裂纹传感机制及隐形眼镜传感器的响应性能表征
作者从鱼皮中获得灵感，通过将刚性脊固定到柔性PDMS层来修改表面，用以克服低COF表面和隐形眼镜传感器的柔性弹性基板之间权衡。引入PHEMA/PDMS交联软弹性体，采用固液界面聚合(SLIP)方法制备脊状结构，简而言之，使(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)HEMA水溶液渗透入PDMS层上，表面光固化的过程中，由于渗透应力在受限区域膨胀过程中引起的表面起皱不稳定性在PDMS表面产生不均匀的折痕形态。通过改变HEMA的浓度来调节脊的宽度和深度(图3a-c)。作者使用FEA重新建模三维形貌如图3d-f，并分析其垂直和横向尺寸(图3g,h)。结果表明，与其他组相比，20%-HEMA改性使弹性体具有更大的垂直尺寸，更长的横向长度和更大的凹陷面积。为了证明脊的润滑能力，他们使用动态滑动摩擦测试比较了改良PDMS和原始PDMS的COF。图3i所示的结果证实原始PDMS具有最高的COF，而20%-HEMA修饰的PDMS具有最低的COF。基于表面微观结构的形态特征，FEA模拟试验证实润滑层导致的COF的显著减少是由于有效接触面积降低。隐形眼镜传感器在空气和水下施加横向摩擦力时，阻力变化极小(图3j,k)。相比之下，没有润滑层的传感器对相同的施加力有积极响应(图31)。最后，记录了在PDMS薄膜产生摩擦干扰的循环测试中的电阻输出。图3m,n表明其隐形眼镜传感器在1000次IOP重复变化下表现出优异的稳定润滑保持能力。这些结果证明了润滑层过滤摩擦干扰的有效性。
图三，自润滑机制和抗干扰性能表征
为了进一步验证传感器在体内的抗干扰能力，作者比较了有自润滑层和没有自润滑层的传感器由于闪烁行为引起的电阻变化。如图4a,b所示，没有自润滑层的原始PDMS制成的传感器由于上眼睑与隐形眼镜的上表面摩擦而产生剧烈的波动。相比之下，他们的传感器阻力变化很小，说明自润滑层可以很好地滤除眼表摩擦产生的噪声。在此基础上，将该隐形眼镜测量的校准IOP值与商用眼压计进行比较，以验证IOP传感器在体内的精度和准确性。他们提前绘制标准曲线((R-R0)/R0 (%)=0.65×IOP-2.6)，构建电阻输出与IOP的对应关系。使用隐形眼镜传感器和商用眼压计测量眼压(10-50mmHg)的方法与判定系数(R2=0.99)有很强的相关性(类间相关系数，ICC=0.99)(图4c)。图4d所示的Bland-Altman图显示，其隐形眼镜测得的IOP与商用眼压测量相比，平均差异为0.06毫米汞柱。95%的一致性限制范围，可以表明特定患者的临床一致性水平，范围从-1.45到1.32毫米汞柱。这些结果表明，他们的隐形眼镜传感器的有效性与商用眼压计相当。最后角膜荧光素染色和细胞共培养证明了其隐形眼镜传感器具有良好的生物相容性。
图四，在体眼压检测及生物相容性
综上所述，作者提出了一种具有超强抗干扰能力的敏感隐形眼镜传感器，可以定量监测IOP，以方便诊断青光眼的进展。通过模拟鱼皮制备自润滑层，可以显著降低表面COF，使传感器具有对闪烁干扰的内在滤波能力。同样值得注意的是，引入了一个由刚性环组成的应变集中结构，该结构具有狭窄的局部断开，巧妙地放大了IOP的微小变化。采用优化的配方(Ag NFs/PEDOT:PSS-5/10和20%-HEMA/PDMS)的传感区域具有优异的灵敏度(GF=47.5)和良好的线性(R2=0.99)。此外，对活兔子的体内测试表明，其传感器可以安全地量化眼压波动，其精度与商用眼压计相当(检测限为0.12mmHg)。特别是，隐形眼镜传感器有望成为实时IOP测量的非侵入性医疗解决方案，而其抗干扰机制为构建一系列透明可穿戴和植入式电子产品提供了通用涂层策略。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.3c00542
