南京大学徐飞教授团队：实现水凝胶智能隐形眼镜

材料科学前沿

文章导读

近日，南京大学研究人员与武汉同济医院合作，研发出一种可高灵敏眼压监测的水凝胶基智能隐形眼镜。基于共形叠层组装工艺，它一方面解决了水凝胶材料溶胀特性使其难以和电子功能器件集成的工艺难题，并利用球面共形的金字塔型微结构介电弹性体极大提高了眼压传感的灵敏度，为构建功能丰富的智能隐形眼镜平台打下坚实的工艺基础；另一方面依靠阻抗匹配可调谐近场阅读器显著提高了阅读距离，提升系统的便携性。该成果以“Hydrogel-Based Smart Contact Lens for Highly Sensitive Wireless Intraocular Pressure Monitoring”为题于2022年10月19日发表在ACS Sensors上【ACS Sens. 2022, 7, 3014-3022】。

研究背景

眼睛是心灵的窗户，也是人体与外界天然的半开放的交互窗口。面向医疗健康、VR/AR、人机交互的智能隐形眼镜是可穿戴柔性电子的重要发展方向之一。在医疗健康监测方面，眼压是一个具有昼夜节律的动态生理参数，尤其在青光眼诊断和眼部手术恢复时期是重要的治疗依据。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，无法满足长程眼压监测的临床新需求。智能隐形眼镜能够通过检测角膜的微弱应变进而监测眼压。为了将眼压监测眼镜推向临床应用，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满足，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、安全的隐形眼镜材料。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。

研究创新点

徐飞教授团队针对上述难点，提出了共形叠层组装工艺，实现了一种高灵敏无线眼压监测的水凝胶智能隐形眼镜。通过多类型材料复合应用、水凝胶溶胀预校准、精密微纳加工工艺，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谐振式器件。眼压的变化使角膜形变，作用在隐形眼镜上使压力传感器的电容值发生变化，进而引起谐振频率的漂移。外置的近场阅读线圈能够无线地获取器件信号，从而实现实时动态的眼压监测。

图1. 无线眼压监测的水凝胶智能隐形眼镜

金字塔型微结构介电弹性体被制备在平行板电容器中，一方面降低了器件整体的弹性模量，另一方面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。该微结构传感器在1300次重复性测试中呈现出长时间稳定一致的压力响应。

图2. 金字塔型微结构LCR传感器压力响应表征

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1.101‰ mmHg-1，平均误差在0.30 mmHg，满足眼压检测的临床要求。

图3. 离体猪眼眼压监测

此外，依靠阻抗匹配谐振原理，作者成功地将阅读器和框架眼镜集成，在镜瞳距的远距离读取下提升了隐形眼镜无线阅读信号的信噪比，保证了系统整体的便携性。

图4. 眼镜集成阅读器的远距离读取

总结和展望

该工作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水凝胶和电子功能器件的集成以及金字塔型微结构弹性体的球面共形制备。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。

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，南京大学博士研究生朱衡天为文章的第一作者。该研究得到国家重点研发计划（2021YFA1401103），国家自然科学基金（61925502, 62135007）支持。

名称：材料科学前沿

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