南京大学徐飞团队ACS Sensors | 球面共形集成实现水凝胶基高灵敏眼压监测隐形眼镜

英文原题：Hydrogel-Based Smart Contact Lens for Highly Sensitive Wireless Intraocular Pressure Monitoring

通讯作者：徐飞，南京大学；王军明，武汉同济医院

作者： Hengtian Zhu (朱衡天), Huan Yang (杨欢), Liuwei Zhan (詹鎏玮), Ye Chen (陈烨), Junming Wang (王军明),* and Fei Xu (徐飞)*

背景介绍

眼压在眼科诊疗中至关重要，尤其在青光眼诊断和眼部手术恢复过程中。眼压是一个具有昼夜节律的动态生理参数。因此，长程实时动态眼压监测的需求日益增长。然而，现有的眼压测量医疗设备（如金标准Goldmann眼压计）具有时空局限性，体积庞大、点式测量且需要专业医护操作，使其无法满足长程眼压监测的临床新需求。

近年来，面向长程眼压监测的难题，科研人员提出了能够通过检测角膜微弱应变进而监测眼压的智能隐形眼镜。但为了将眼压监测智能隐形眼镜推向临床应用，眼镜的安全性、舒适性、传感准确度以及无线无源的工作能力需要得到保证，这对器件设计、材料、工艺等方面提出了巨大挑战。pHEMA水凝胶是一种商用的隐形眼镜材料。由于水凝胶溶胀特性带来的结构变化，使其很难和电子功能器件进行集成。微结构介电弹性体能够有效提升压力传感器灵敏度，但现阶段很难实现微纳结构的球面共形集成。

图1. 无线眼压监测的水凝胶智能隐形眼镜

文章亮点

近日，南京大学徐飞教授与武汉同济医院王军明主任医师合作，在ACS Sensors上发表了高灵敏无线眼压监测的水凝胶智能隐形眼镜，针对上述难点提出了共形叠层组装工艺，实现了pHEMA水凝胶材料和金字塔型微结构介电弹性体的球面共形集成。智能隐形眼镜为无线无源LC谐振式传感器，由电容式压力传感器和线圈电感串联组成。眼压的变化使角膜形变，作用在智能隐形眼镜上使电容式压力传感器的电容值发生变化，进而引起器件谐振频率的变化。外置的近场阅读线圈能够无线获取器件谐振频率等信号，从而实现实时动态的眼压监测。

金字塔型微结构介电弹性体被制备在平行板电容器中，降低了器件整体的弹性模量，并且在压力作用下引入等效介电系数的变化。在两种机制的共同作用下，极大提高了器件的压力响应。该微结构传感器比较起无结构传感器灵敏度获得数量级的提升，并在1300次重复性测试中呈现出长时间稳定一致的压力响应（如图2）。

图2. 金字塔型微结构LCR传感器压力响应表征

凭借着优异的灵敏度、稳定性，以及pHEMA水凝胶带来的柔性和安全性，智能隐形眼镜在离体猪眼上成功实现无线眼压监测（如图3）。眼压传感的灵敏度为1.101‰ mmHg-1，平均误差和标准差在0.30 mmHg和0.77 mmHg。精度和商用眼压计等同，满足眼压检测的临床要求。

图3. 离体猪眼眼压监测

此外，作者提出了阻抗匹配可调谐近场阅读器（如图4），从仿真到实验优化了智能隐形眼镜无线阅读信号的信噪比，并将阅读距离提升至镜瞳距（14 mm），成功将阅读器和框架眼镜集成，提升了基于智能隐形眼镜的眼压传感系统的便携性。

图4.眼镜集成阅读器的远距离读取

总结/展望

综上所述，作者依靠共形叠层组装工艺，提出了无线眼压监测的水凝胶智能隐形眼镜，成功实现pHEMA水凝胶和柔性电子器件的共形集成以及金字塔型微结构介电弹性体的球面制备。大幅提升眼压传感灵敏度的同时，也提升了智能隐形眼镜的安全性和舒适性，为下一步推动智能隐形眼镜走向临床应用打下坚实基础。此外，阻抗匹配可调谐近场阅读器的提出使得将阅读器集成在框架眼镜上，提升了整套传感方案的便携性和可穿戴性，为眼压日常健康监测的实现铺平道路。

相关论文发表在ACS Sensors上，南京大学博士研究生朱衡天为文章的第一作者， 南京大学徐飞教授和武汉同济医院王军明副教授为通讯作者。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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