對于青光眼患者而言，全天候連續眼壓（IOP）監測至關重要。基于電感電容（LC）技術的隱形眼鏡傳感器能夠全天候、無創、連續測量眼壓，并且原理和結構相對簡單，已成為當前的主流選擇。這類傳感器通常由功能性導電材料（例如常規金屬銅或金、銀復合材料、室溫液態金屬等）制成，形成柔性LC傳感器，并與生物相容性聚合物（例如水凝膠、有機硅和聚酰亞胺）集成。其中，由液態金屬制成的可拉伸電感式LC隱形眼鏡傳感器在信號質量和佩戴舒適性方面具有顯著優勢，但其靈敏度仍有待提升。
據麥姆斯咨詢報道，近期，清華大學馬寅佶副研究員團隊和浙江大學宋吉舟教授團隊聯合提出一種創新的LC隱形眼鏡傳感器，該傳感器利用液態金屬同時構建可拉伸電感和電容，使電容板和電感線圈能夠同時響應眼壓變化，從而在原理上顯著提高了靈敏度。經驗證，該LC隱形眼鏡傳感器具有可靠性高、信號質量好等優勢。更重要的是，其靈敏度較現有最先進的隱形眼鏡傳感器提高了三倍。相關研究成果以“LC contact lens sensor for ultrasensitive intraocular pressure monitoring”為題發表在npj Flexible Electronics期刊上。
這種新型LC隱形眼鏡傳感器由常溫液態金屬和硅膠制成，采用硅膠包裹和密封內部液態金屬結構的設計。傳感器基體采用透明柔軟的硅橡膠（彈性模量僅為0.08 ± 0.01 MPa）制成，通過降低傳感器剛度來提高靈敏度。鏡片采用中心薄、邊緣厚的設計（中心厚度為0.2 mm，邊緣厚度為0.45 mm），既保證了靈敏度，又能在外側集成線圈回路。傳感器的整體直徑為14.0 mm，與商用隱形眼鏡一致。液態金屬線圈的分布直徑為12 mm和10 mm，確保不影響瞳孔視野（>10 mm）。傳感器采用微通道注射法制備，使用GaInSn合金（Ga 68.5%，In 21.5%，Sn 10%）作為液態金屬材料，該材料具有優異的導電性。微通道的巧妙設計（橫截面為300 um × 100 um，這有助于保持低電阻和高質量信號。得益于柔性材料的性能優勢，所制備出的LC隱形眼鏡傳感器展現出良好的拉伸性，能夠承受至少120%的拉伸。
圖1 本研究提出的LC隱形眼鏡傳感器圖示
隱形眼鏡傳感器的使用安全性至關重要。這項研究提出的LC隱形眼鏡傳感器，其液態金屬密封在硅膠通道內，確保不會泄漏。同時，所選用的硅膠材料能夠適應角膜磨損，且不會干擾日常生活。可靠性是隱形眼鏡傳感器的另一個必要考慮因素，尤其是長期使用時。這項研究提出的LC隱形眼鏡傳感器具有優異的機械可靠性，能夠承受人體體內佩戴、測量和移除過程中可能產生的各種機械變形。
圖2 LC隱形眼鏡傳感器的可用性和可靠性測試
在仿生和生物眼球上的測試結果顯示，該LC隱形眼鏡傳感器具備多項優異性能，包括高可靠性、良好的信號質量和無損佩戴等。尤其是其靈敏度提高了3倍，超過了目前最先進的隱形眼鏡傳感器。
圖3 LC隱形眼鏡傳感器應用于仿生眼球的傳感性能
圖4 LC隱形眼鏡傳感器用于豬眼離體和體內的性能評估
圖5 LC隱形眼鏡傳感器用于人眼的性能評估
研究團隊表示，考慮到未來的臨床應用，接下來仍有一些問題需要改進：（1）計劃采用印刷技術實現LC隱形眼鏡傳感器的批量生產，以提高生產效率；（2）由于隱形眼鏡傳感器的反應取決于角膜的剛度，并且因人而異，未來計劃通過眼部反應分析儀測量角膜生物力學參數，并結合深度學習技術進行分析，為不同類型的使用者開發精確校準模型。總體而言，這項研究工作為青光眼患者的臨床護理提供了具有重要意義和實用價值的基礎性解決方案。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-024-00341-z
