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，能夠實現對高危人群眼壓的實時、連續監測，為早期診斷和治療青光眼提供豐富的數據信息。然而，由于傳感器上方緊貼眼瞼，下方緊臨眼球，實際應用中不可避免的眨眼、眼球轉動等干擾因素，會引起較大的測量誤差。因此，臨床實踐中迫切需要研發克服切向力干擾的柔性隱形眼鏡眼壓傳感器，實現眼壓的高精度連續測量。
近日，南京醫科大學生物醫學工程與信息學院胡本慧教授團隊與附屬醫院合作，提出利用自潤滑層設計，制備了一種抗干擾、超靈敏的連續監測眼壓的隱形眼鏡傳感器。該工作發表于 ACS Sensors (中科院分區：一區, 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連接共同組成傳感層，剛性環將眼壓變化引起的應力改變集中在彈性薄膜上，放大形變導致的電阻信號變化（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混合而成的自潤滑層，通過其脊狀微結構實現極低的摩擦系數，模擬仿真和模擬眼實驗結果標明（圖1c,d），自潤滑層能夠有效消減眨眼、眼球轉動時眼瞼摩擦傳感器表面造成的信號干擾（圖1e）。
圖一，隱形眼鏡傳感器構造示意圖及傳感潤滑機制示意圖
作者研究了在眼壓變化過程中，電阻敏感彈性薄膜內部結構的微觀形變以揭示其在低應變下的高靈敏度傳感機制。掃描電鏡顯示PEDOT:PSS作為導電橋有助于加密導電網絡，形變產生的微裂紋引起銀鈉米顆粒的重疊區域發生重排，改變了整體網絡的導電性，引起電阻變化。實驗結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域會恢復到初始狀態，從而驗證了微裂紋引起阻值變化的可重復性（圖2a-c）。隨后研究了銀納米片與PEDOT:PSS的比例對靈敏度的影響。當比例為5:10時，電阻對應變的線性響應最佳（圖2d-g）。進一步通過模擬眼驗證了傳感器的相對電阻與眼壓呈線性關系。傳感器增壓和減壓的響應時間分別為167 ms和417 ms（圖2h）。2500個周期循環測試結果驗證了傳感器的穩定性（圖2i,j）。
圖二，微裂紋傳感機制及隱形眼鏡傳感器的響應性能表征
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衡。引入PHEMA/PDMS交聯軟彈性體，采用固液界面聚合(SLIP)方法制備脊狀結構，簡而言之，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，由于滲透應力在受限區域膨脹過程中引起的表面起皺不穩定性在PDMS表面產生不均勻的折痕形態。通過改變HEMA的濃度來調節脊的寬度和深度(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，更長的橫向長度和更大的凹陷面積。為了證明脊的潤滑能力，他們使用動態滑動摩擦測試比較了改良PDMS和原始PDMS的COF。圖3i所示的結果證實原始PDMS具有最高的COF，而20%-HEMA修飾的PDMS具有最低的COF。基于表面微觀結構的形態特征，FEA模擬試驗證實潤滑層導致的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，阻力變化極小(圖3j,k)。相比之下，沒有潤滑層的傳感器對相同的施加力有積極響應(圖31)。最后，記錄了在PDMS薄膜產生摩擦干擾的循環測試中的電阻輸出。圖3m,n表明其隱形眼鏡傳感器在1000次IOP重復變化下表現出優異的穩定潤滑保持能力。這些結果證明了潤滑層過濾摩擦干擾的有效性。
圖三，自潤滑機制和抗干擾性能表征
為了進一步驗證傳感器在體內的抗干擾能力，作者比較了有自潤滑層和沒有自潤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生劇烈的波動。相比之下，他們的傳感器阻力變化很小，說明自潤滑層可以很好地濾除眼表摩擦產生的噪聲。在此基礎上，將該隱形眼鏡測量的校準IOP值與商用眼壓計進行比較，以驗證IOP傳感器在體內的精度和準確性。他們提前繪制標準曲線((R-R0)/R0 (%)=0.65×IOP-2.6)，構建電阻輸出與IOP的對應關系。使用隱形眼鏡傳感器和商用眼壓計測量眼壓(10-50mmHg)的方法與判定系數(R2=0.99)有很強的相關性(類間相關系數，ICC=0.99)(圖4c)。圖4d所示的Bland-Altman圖顯示，其隱形眼鏡測得的IOP與商用眼壓測量相比，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。這些結果表明，他們的隱形眼鏡傳感器的有效性與商用眼壓計相當。最后角膜熒光素染色和細胞共培養證明了其隱形眼鏡傳感器具有良好的生物相容性。
圖四，在體眼壓檢測及生物相容性
綜上所述，作者提出了一種具有超強抗干擾能力的敏感隱形眼鏡傳感器，可以定量監測IOP，以方便診斷青光眼的進展。通過模擬魚皮制備自潤滑層，可以顯著降低表面COF，使傳感器具有對閃爍干擾的內在濾波能力。同樣值得注意的是，引入了一個由剛性環組成的應變集中結構，該結構具有狹窄的局部斷開，巧妙地放大了IOP的微小變化。采用優化的配方(Ag NFs/PEDOT:PSS-5/10和20%-HEMA/PDMS)的傳感區域具有優異的靈敏度(GF=47.5)和良好的線性(R2=0.99)。此外，對活兔子的體內測試表明，其傳感器可以安全地量化眼壓波動，其精度與商用眼壓計相當(檢測限為0.12mmHg)。特別是，隱形眼鏡傳感器有望成為實時IOP測量的非侵入性醫療解決方案，而其抗干擾機制為構建一系列透明可穿戴和植入式電子產品提供了通用涂層策略。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.3c00542
