AISY综述:生物传感器在智能隐形眼镜中的应用

课题组文章被选为期刊封面

具有高度集成电路的柔性和可穿戴医疗设备已开始取代传统设备,以实现无创和简单的生理测量。智能隐形眼镜作为一种新型的可穿戴设备,由于其多功能的生物传感能力和高度集成的性能,为眼科疾病的诊断和药物的输送提供了一个很好的平台。文章主要介绍了隐形眼镜的发展历史、用于生物医学的智能隐形眼镜的最新设计和制备技术,包括隐形眼镜材料、制备技术和电子元件集成。另外,着重介绍了生物传感器在隐形眼镜中实施测量乳酸,葡萄糖,眼压,和其在眼泪代谢中的重要性,并且介绍了智能隐形眼镜在药物输送中的应用。这些独特的功能使智能隐形眼镜成为一种很有发展潜力的诊断和医疗设备。

人类的眼泪含有许多化学物质,包括蛋白质、脂类、电解质、尿素、抗坏血酸、L-乳酸、胆固醇和其他关键的代谢物。而且,眼泪的化学成分与血液非常相似。实时测量这些物质的浓度可以为改善某些疾病的治疗和预防提供有价值的生理信息。

  1. 嵌入式葡萄糖传感器的智能隐形眼镜

血糖浓度是诊断糖尿病的重要指标。血糖测量的一种常见方法是通过刺破手指来采集血液样本,然而,这种方法只能对单一时间点的血糖进行测量,而不能对血糖进行实时的监测。大量研究和数据表明,眼泪中的葡萄糖浓度与血糖浓度呈正相关。带有嵌入式葡萄糖传感器的智能隐形眼镜可以监测血糖浓度泪液中葡萄糖的浓度。图1A显示了用于检测眼液中葡萄糖浓度的传感器的操作机制。临床医生在泪液葡萄糖监测中实现连续测量也很重要。研究人员以白兔为受试者,研究葡萄糖消耗对血糖水平动态变化的影响。为了监测眼液中的葡萄糖浓度,谷歌设计了一种智能隐形眼镜(图1B),这与糖尿病患者的血糖浓度相关。此外,谷歌还投入巨资研发智能隐形眼镜,用于检测和治疗其他眼病。在另一项工作中,Yao等人制备了带有葡萄糖传感器的隐形眼镜,用于检测葡萄糖浓度(图1C)。这种设备的优点包括定期监测、高准确度,长期穿着舒适。Park等人设计了一种不同类型的带有电子元件的葡萄糖敏感接触镜,用于糖尿病患者的健康监测,图1D(a)和(b)分别显示了嵌入LED像素的隐形眼镜的图像和隐形眼镜部分的示意图。

图1. 不同设计的隐形眼镜来对血糖浓度进行监测。
  • 嵌入式眼压传感器的智能隐形眼镜

研究表明,眼压波动过大是青光眼的原因之一。然而,使用眼压计(一种传统的临床测量工具)进行频繁的眼压测量非常复杂。因此,隐形眼镜传感器被认为是通过测量角膜曲率来监测眼压的一种很有前途的方法。Leonardi等人设计了一种无线智能隐形眼镜来感知眼压,它由天线、无源测量仪、微处理器和其他电气元件组成(图2A)。该设备可实现长期微创眼压监测,并可以为青光眼的进行

诊断和很好的治疗辅助作用。用于眼压监测的接触镜传感器有四种基本类型:电容传感器、压阻传感器、应变计传感器,和微感应器传感器。图2B显示了在不同眼压条件下,接触镜上基于电容的眼压传感器的概念图。在初始状态下,角膜曲率和眼压分别为r和p,角膜曲率(r)随眼压(p)变化。因此,隐形眼镜上的眼压传感器的电容也会发生变化,测量结果是传感器顶板和底板之间间隙的变化。另一项研究报告了使用共振电路透镜连续检测眼压,共振电路透镜由一个薄膜电容器和一个监测角膜曲率变形的传感线圈组成(图2C)。

图2. 眼压接触镜传感器的不同部位和机理。
  • 嵌入乳酸浓度传感器的隐形眼镜

乳酸是临床诊断和健康监测的重要生物标志物。它可以用来识别由于生理或病理条件引起的缺氧或盐浓度升高。一般来说,人血乳酸水平>2mmol/L时可归为乳酸酸中毒,临床上的症状如毒素中毒、休克、贫血、败血症、器官衰竭等都有可能导致乳酸中毒。 泪液作为一种很有潜力的取样介质,具有提取方便的特点,可以代替血液取样带来的痛苦和不便。使用隐形眼镜传感器实时监测体内乳酸浓度已成为一个很有前途的领域。

Thomas等人设计并提出了一种嵌入隐形眼镜中的电流型L-乳酸传感器。该传感器通过电极表面的氧化还原反应将电化学信号转化为分析电流信号。他们使用戊二醛(GTA)将乳酸氧化酶(LOX)交联,并选择性识别L-乳酸,同时用医用级和生物相容性PU涂覆基底,如图3A所示,该传感器在乳酸浓度生理范围内具有足够的分辨率,响应时间短,灵敏度高。Lin等人设计了一种可靠的乳酸泪(TL)测试条,如图3B所示。与血糖试纸类似,TL传感器也可用于使用隐形眼镜检测乳酸。将Schirmer试纸制成的泪液取样元件与蛋白质工程LOX的TL传感器相结合,成为检测泪液中乳酸浓度的可行方案。结果表明,该传感器对尿酸、抗坏血酸等干扰物质不敏感,证明了其准确性和鲁棒性。

图3. 用不同电极组成的隐形眼镜测量泪液中乳酸浓度。
  • 小结

智能隐形眼镜具有实时监测、无创诊断和给药等特点,在生物医学领域显示出巨大的应用潜力。特别是,我们强调了智能隐形眼镜在检测泪液中葡萄糖浓度、通过测量眼压识别青光眼、评估生理或病理条件引起的缺氧或盐浓度升高以及通过药物输送治疗眼科疾病方面的应用。多功能、集成化的智能隐形眼镜可以提供比传统方式更有效的眼部疾病生理数据采集,这将大大方便人类疾病的治疗。智能隐形眼镜作为一种常规的可穿戴医疗设备,在准确分析眼科药物对眼睛的反应以及手术操作评估方面有着巨大的应用潜力。

文献信息:

Smart Contact Lenses for Biosensing Applications

Xin Ma, Samad Ahadian*, Song Liu, Jingwen Zhang, Shengnan Liu, Teng Cao, Wenbin Lin, Dong Wu, Natan Roberto de Barros, Mohammad Reza Zare, Sibel Emir Diltemiz, Vadim Jucaud, Yangzhi Zhu, Shiming Zhang, Ethan Banton, Yue Gu, Kewang Nan, Sheng Xu, Mehmet Remzi Dokmeci, Ali Khademhosseini*

Advanced Intelligent Systems

DOI: 10.1002/aisy.202000263

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202000263