ACS Sensors：高灵敏度眼睑压力测量的Kirigami设计智能隐形眼镜

第一作者：Wen Chen

通讯作者：Jinfang Wu，Ruihua Wei，Yunbiao Zhao

通讯单位：首都医科大学，天津医科大学，北京大学

DOI: 10.1021/acssensors.4c02361

背景介绍

眼睑是眼部健康不可或缺的组成部分，主要由肌肉、纤维结缔组织和皮肤组成。它不仅通过眨眼对外部刺激做出反应，而且通过减少泪液蒸发和帮助泪液分布来保护眼表。理解眼睑功能的一个关键概念是“眼睑压力”，由Snellen于1869年首次提出，描述了眼睑对结膜和角膜施加的压力。这种生物力学特征对于维持眼表的生理平衡至关重要，特别是在闭眼时的静载荷和眨眼时遇到的动态摩擦方面。

眼睑压力与许多生理和病理性眼部疾病密切相关，突显了其临床相关性。眼睑形状、位置和张力的变化会显著影响角膜形态，导致角膜散光和屈光不正等疾病。Gullstrand的假设认为，眼睑对垂直子午线施加的压力会导致角膜中心区域变陡，同时使其周边变平，从而产生规则散光。这种压力变化在上睑下垂患者中尤为明显，手术矫正后散光通常会改善。在眼睑边缘癌症、甲状腺相关眼病和不同年龄组的情况下，角膜形状和眼睑负荷之间也有类似的关联。此外，眨眼过程中眼睑和角膜之间的机械摩擦涉及剪切力和滑动频率。如Cher所述，这种现象被称为“眨眼相关微创伤”，与眼睑摩擦或润滑障碍引起的眼表疾病有关，导致角膜上皮细胞损伤，干眼综合征和上边缘角结膜炎。例如，在角膜塑形镜佩戴过程中，眼睑压力是角膜重塑微环境中的重要负荷，目前缺乏量化，因此准确预测角膜变形具有挑战性。

尽管对测量眼睑压力的各种方法进行了广泛的探索，但每种方法都存在固有的局限性，阻碍了它们的临床应用。睫毛牵引法等技术，包括夹紧睫毛以测量眼睑肌肉力量，可能会因不自主的肌肉收缩而引起不适。液体-空气压力转换装置使用装满水或空气的小气球，由于管道的泄漏和变形而存在误差。技术进步导致了更精细的方法，例如使用商业电阻或单点电容传感器。然而，商业传感器通常设计为具有平面表面，这在符合角膜曲率方面带来了挑战。一个值得注意的例子是Digitacs传感器系统，它采用圆形金属或金属涂层薄膜作为电容器中的电极。因此，Carney等人引入了一种新方法，通过使用曲率与角膜曲率紧密对齐的隐形眼镜，减轻解剖干扰，提高眼球运动过程中动态压力测量的精度。然而，为了将商业传感器连接到隐形眼镜上，需要对隐形眼镜的外表面进行专门的处理，以形成一个平坦的表面，而内表面则非常接近角膜的曲率。这种修改破坏了眼睑压力对角膜的自然生理效应，并限制了传感器的区域能力。设计一个符合角膜精确位置的电极是一个重大挑战，特别是对于不可拉伸和不可显影的材料（即具有非零高斯曲率的材料，如球面）。

三维（3D）共形电子技术的最新进展，如3D喷墨打印、共形转印和光诱导转印，已经得到了广泛的研究，但它们在实现不可拉伸材料的精度方面往往不足。最近，kirigami的概念已被纳入共形电子学的设计中，通过将不可拉伸的2D片材切割成专门设计的kirigami图案，为二维（2D）到三维共形挑战提供了一种有前景的解决方案。这些规定的几何设计使kirigami片材能够以可编程的方式变形为各种3D形状，从而使其符合任意曲面。kirigami设计研究的主要重点是在不损害电路完整性的情况下执行这些切割，并确保表面尽可能紧密地贴合。

此外，使用医用胶带连接传感器在密封和生物相容性方面带来了重大挑战，最终降低了传感器的灵敏度。此外，电阻式传感器在低电压下通常表现出高功耗，这是商业传感器的一个普遍问题，而电容式传感器在最小压力下可能会表现出灵敏度降低。相比之下，利用离子液体聚合物复合材料的离子电子压力传感器由于其纳米级双层结构，实现了比电容的增加和灵敏度的提高（约1kPa–1）。对于一种非侵入性、灵敏、精确和舒适的技术来实时测量眼睑压力，存在一种独特而未解决的需求，这有可能大大改善各种眼部疾病的诊断和管理。智能隐形眼镜技术的最新进展，特别是在眼压监测方面，显示出巨大的前景。这些镜片结合了应变计和无线传输技术，能够无创地实时监测眼压。正如人体研究所证明的那样，智能隐形眼镜比传统临床设备具有更高的准确性和可靠性。尽管如此，利用智能隐形眼镜测量眼睑压力的研究还不够充分。

本文亮点

1. 本工作介绍了一种新型智能隐形眼镜，该隐形眼镜结合了kirigami设计和离子电子电容传感阵列，以提高灵活性和一致性。

2. 该装置的独特结构组成允许以高灵敏度同时精确监测多个区域的眼睑压力，并无缝适应角膜曲率。

3. 通过在兔子和猪眼睛中的全面评估，该传感器的功效得到了彻底证实，与传统的单点传感器相比，其一致性和灵敏度得到了提高。

4. 在各种条件下进行了评估，包括麻醉和清醒状态下，以及有意改变眼压波动，所有这些都证实了检测眼睑压力的极高准确性。

图文解析

图1. 眼睑压力传感器的示意图和光学图像。（a） 眼睑压力传感器的分层示意图。（b） 眼睑压力监测的数据采集方案。（c） 测量眼睑压力的压力传感器图示。（d） PVA/H34分级可填充结构的扫描电镜（SEM）图像（比例尺=10 μm）。（e） 眼睑压力传感器示意图。（f） 眼睑压力传感器照片（比例尺=2 mm）。

图2. 眼睑压力传感器的特性。（a） 0-140 kPa压力范围内的压力电容响应关系。（b） 20 kPa下传感器的响应和恢复时间。（c） 传感器上装载和卸载12、25、50和100 kPa的重量。（d） 在80 kPa的加载和卸载压力下进行了6000多次循环的稳定性试验。

图3. 3D保形和眼内压屏蔽评估。（a） 直径为2、4和6 mm的探头与商用传感器（左面板）并排放置。在140 mN的均匀载荷下，使用不同的探头在五个周期内施加商用传感器的响应（右图）。（b） 使用商用传感器上的弯曲模具（半径8.0 mm）进行保形加载测试，模拟人体角膜曲率，由测力计（左图）测量。传感器读数从与弯曲模具完全一致之前的7.5毫米到完全接触点（右侧面板）。（c） 我们的共形动力学模拟设置（左面板）、模具的网格划分（右下面板）和局部放大（右上面板）。（d） 有限元模型（FEM）结果的柱状图显示了PET薄膜和阴模之间的间隙。（e） 条形图显示了电极的位置一致性水平（N，%）。（f） 有限元图像结果显示了PET薄膜和阴模之间的间隙。比例尺：所有图像为1毫米。（g） 不同电极设计的有限元位移结果。比例尺：所有图像为1毫米。（h） 离体测量设置示意图（比例尺=10cm）。（i） 测量期间猪眼睛中眼睑压力传感器的照片。（j） 背驮式眼睑压力传感器对猪眼内压（IOP）上升和下降的响应照片。IOP，红线（左轴）；△C/C0，蓝线（右轴）。（k） 非背负式眼睑压力传感器对猪眼睛眼压上升和下降的响应照片。IOP，红线（左轴）；△C/C0，蓝线（右轴）。电极设计配置说明：这些图包括T-Full、T-Slim、T-Rif、B-Full、B-Slim和B-Rif电极配置：“T”表示顶部电极，“B”表示底部电极。“Full”表示未经激光切割的具有完整PET基层的完整基材。“Slim”是指一种流线型电极，仅存在于有导电银膜的地方。“Rif”表示增强电极，这是带有附加连接器的细长电极，可增强结构和机械稳定性。白色部分代表PET薄膜，而绿色部分代表银色薄膜。

图4. 兔眼体内评估。（a） 附在兔眼上的眼睑压力传感器的照片。（b） 兔眼睑的区域压力分布（n=3）。（c） 深度麻醉前后中心眼睑压力（n=3）。（d） 眼睑压力测量的电容值。（e） 商业和开发的眼睑传感器的比较（n=5）。（f） 传感器测量的重复性。*表示p

图5. 兔眼细胞活力和体内评估。（a） 苏木精和伊红（H和E）染色的兔眼代表性显微照片显示，在佩戴商用软性隐形眼镜（SCL）和眼睑压力传感器（ELS）24小时后，角膜缘出现上皮侵蚀、轻度混合炎症和水肿。比例尺（左）=500 μm，比例尺（右）=50 μm。（b） SSCL在眼睑压力监测半小时前（上图）和后半小时后（下图）的红外图像。比例尺（右）=1 cm。（c）在没有和有商用软性隐形眼镜（SCL，红色条）和眼睑压力传感器（ELS，蓝色条）的情况下接种的人角膜上皮细胞（HCEpiCs）的细胞存活率测定（n=5）。（d） 活/死测定后HCEpiCs的荧光显微图像（绿场图像（GFI）、红场图像（RFI））。比例尺=100 μm。