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南京醫(yī)科大學(xué)胡本慧教授團(tuán)隊(duì) ACS Sensors: 抗干擾超靈敏監(jiān)測(cè)眼壓的隱形眼鏡傳感器
2023-06-12  來(lái)源：高分子科技

  可穿戴式隱形眼鏡眼壓傳感器是一種搭載在隱形眼鏡上的柔性壓力傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高危人群眼壓的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，為早期診斷和治療青光眼提供豐富的數(shù)據(jù)信息。然而，由于傳感器上方緊貼眼瞼，下方緊臨眼球，實(shí)際應(yīng)用中不可避免的眨眼、眼球轉(zhuǎn)動(dòng)等干擾因素，會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。因此，臨床實(shí)踐中迫切需要研發(fā)克服切向力干擾的柔性隱形眼鏡眼壓傳感器，實(shí)現(xiàn)眼壓的高精度連續(xù)測(cè)量。


  近日，南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院胡本慧教授團(tuán)隊(duì)與附屬醫(yī)院合作，提出利用自潤(rùn)滑層設(shè)計(jì)，制備了一種抗干擾、超靈敏的連續(xù)監(jiān)測(cè)眼壓的隱形眼鏡傳感器。該工作發(fā)表于 ACS Sensors (中科院分區(qū)：一區(qū), 影響因子：9.618)，題目為 “Contact Lens Sensor with Anti-jamming Capability and High Sensitivity for Intraocular Pressure Monitoring” 。


  該課題組首先利用銀納米片和PEDOT:PSS混合制備電阻變化敏感的彈性薄膜，并與帶缺口的剛性環(huán)連接共同組成傳感層，剛性環(huán)將眼壓變化引起的應(yīng)力改變集中在彈性薄膜上，放大形變導(dǎo)致的電阻信號(hào)變化（圖1a）。隨后傳感層底部自粘合在由PDMS-PVA制成的基底層上，傳感層頂部覆蓋由聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA) 和PDMS混合而成的自潤(rùn)滑層，通過其脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)極低的摩擦系數(shù)，模擬仿真和模擬眼實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明（圖1c,d），自潤(rùn)滑層能夠有效消減眨眼、眼球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)眼瞼摩擦傳感器表面造成的信號(hào)干擾（圖1e）。 


圖一，隱形眼鏡傳感器構(gòu)造示意圖及傳感潤(rùn)滑機(jī)制示意圖


  作者研究了在眼壓變化過程中，電阻敏感彈性薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀形變以揭示其在低應(yīng)變下的高靈敏度傳感機(jī)制。掃描電鏡顯示PEDOT:PSS作為導(dǎo)電橋有助于加密導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，形變產(chǎn)生的微裂紋引起銀鈉米顆粒的重疊區(qū)域發(fā)生重排，改變了整體網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電性，引起電阻變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明拉伸力釋放后這些微裂紋雖然仍存在，但銀納米顆粒的重疊區(qū)域會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而驗(yàn)證了微裂紋引起阻值變化的可重復(fù)性（圖2a-c）。隨后研究了銀納米片與PEDOT:PSS的比例對(duì)靈敏度的影響。當(dāng)比例為5:10時(shí)，電阻對(duì)應(yīng)變的線性響應(yīng)最佳（圖2d-g）。進(jìn)一步通過模擬眼驗(yàn)證了傳感器的相對(duì)電阻與眼壓呈線性關(guān)系。傳感器增壓和減壓的響應(yīng)時(shí)間分別為167 ms和417 ms（圖2h）。2500個(gè)周期循環(huán)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了傳感器的穩(wěn)定性（圖2i,j）。 


圖二，微裂紋傳感機(jī)制及隱形眼鏡傳感器的響應(yīng)性能表征


  作者從魚皮中獲得靈感，通過將剛性脊固定到柔性PDMS層來(lái)修改表面，用以克服低COF表面和隱形眼鏡傳感器的柔性彈性基板之間權(quán)衡。引入PHEMA/PDMS交聯(lián)軟彈性體，采用固液界面聚合(SLIP)方法制備脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)而言之，使(2-羥乙基甲基丙烯酸酯)HEMA水溶液滲透入PDMS層上，表面光固化的過程中，由于滲透應(yīng)力在受限區(qū)域膨脹過程中引起的表面起皺不穩(wěn)定性在PDMS表面產(chǎn)生不均勻的折痕形態(tài)。通過改變HEMA的濃度來(lái)調(diào)節(jié)脊的寬度和深度(圖3a-c)。作者使用FEA重新建模三維形貌如圖3d-f，并分析其垂直和橫向尺寸(圖3g,h)。結(jié)果表明，與其他組相比，20%-HEMA改性使彈性體具有更大的垂直尺寸，更長(zhǎng)的橫向長(zhǎng)度和更大的凹陷面積。為了證明脊的潤(rùn)滑能力，他們使用動(dòng)態(tài)滑動(dòng)摩擦測(cè)試比較了改良PDMS和原始PDMS的COF。圖3i所示的結(jié)果證實(shí)原始PDMS具有最高的COF，而20%-HEMA修飾的PDMS具有最低的COF。基于表面微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征，F(xiàn)EA模擬試驗(yàn)證實(shí)潤(rùn)滑層導(dǎo)致的COF的顯著減少是由于有效接觸面積降低。隱形眼鏡傳感器在空氣和水下施加橫向摩擦力時(shí)，阻力變化極小(圖3j,k)。相比之下，沒有潤(rùn)滑層的傳感器對(duì)相同的施加力有積極響應(yīng)(圖31)。最后，記錄了在PDMS薄膜產(chǎn)生摩擦干擾的循環(huán)測(cè)試中的電阻輸出。圖3m,n表明其隱形眼鏡傳感器在1000次IOP重復(fù)變化下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定潤(rùn)滑保持能力。這些結(jié)果證明了潤(rùn)滑層過濾摩擦干擾的有效性。 


圖三，自潤(rùn)滑機(jī)制和抗干擾性能表征


  為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器在體內(nèi)的抗干擾能力，作者比較了有自潤(rùn)滑層和沒有自潤(rùn)滑層的傳感器由于閃爍行為引起的電阻變化。如圖4a,b所示，沒有自潤(rùn)滑層的原始PDMS制成的傳感器由于上眼瞼與隱形眼鏡的上表面摩擦而產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)。相比之下，他們的傳感器阻力變化很小，說(shuō)明自潤(rùn)滑層可以很好地濾除眼表摩擦產(chǎn)生的噪聲。在此基礎(chǔ)上，將該隱形眼鏡測(cè)量的校準(zhǔn)IOP值與商用眼壓計(jì)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證IOP傳感器在體內(nèi)的精度和準(zhǔn)確性。他們提前繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線((R-R0)/R0 (%)=0.65×IOP-2.6)，構(gòu)建電阻輸出與IOP的對(duì)應(yīng)關(guān)系。使用隱形眼鏡傳感器和商用眼壓計(jì)測(cè)量眼壓(10-50mmHg)的方法與判定系數(shù)(R2=0.99)有很強(qiáng)的相關(guān)性(類間相關(guān)系數(shù)，ICC=0.99)(圖4c)。圖4d所示的Bland-Altman圖顯示，其隱形眼鏡測(cè)得的IOP與商用眼壓測(cè)量相比，平均差異為0.06毫米汞柱。95%的一致性限制范圍，可以表明特定患者的臨床一致性水平，范圍從-1.45到1.32毫米汞柱。這些結(jié)果表明，他們的隱形眼鏡傳感器的有效性與商用眼壓計(jì)相當(dāng)。最后角膜熒光素染色和細(xì)胞共培養(yǎng)證明了其隱形眼鏡傳感器具有良好的生物相容性。 


圖四，在體眼壓檢測(cè)及生物相容性


  綜上所述，作者提出了一種具有超強(qiáng)抗干擾能力的敏感隱形眼鏡傳感器，可以定量監(jiān)測(cè)IOP，以方便診斷青光眼的進(jìn)展。通過模擬魚皮制備自潤(rùn)滑層，可以顯著降低表面COF，使傳感器具有對(duì)閃爍干擾的內(nèi)在濾波能力。同樣值得注意的是，引入了一個(gè)由剛性環(huán)組成的應(yīng)變集中結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有狹窄的局部斷開，巧妙地放大了IOP的微小變化。采用優(yōu)化的配方(Ag NFs/PEDOT:PSS-5/10和20%-HEMA/PDMS)的傳感區(qū)域具有優(yōu)異的靈敏度(GF=47.5)和良好的線性(R2=0.99)。此外，對(duì)活兔子的體內(nèi)測(cè)試表明，其傳感器可以安全地量化眼壓波動(dòng)，其精度與商用眼壓計(jì)相當(dāng)(檢測(cè)限為0.12mmHg)。特別是，隱形眼鏡傳感器有望成為實(shí)時(shí)IOP測(cè)量的非侵入性醫(yī)療解決方案，而其抗干擾機(jī)制為構(gòu)建一系列透明可穿戴和植入式電子產(chǎn)品提供了通用涂層策略。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.3c00542

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