NPJ Flexible Electronics | 液态金属眼压监测传感器-可拉伸电感电容LC传感器

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前言

关键要点

• 用液态金属构建的LC传感器，以进一步形成可拉伸的电感和电容

• 其灵敏度提高了三倍，超过了目前最先进的隐形眼镜传感器

24小时连续眼压(IOP) 监测有利于青光眼的护理。使用LC技术的隐形眼镜传感器可以实现无创的全天候连续IOP测量，并且原理和结构相对简单，因此占据主流地位。其中，液态金属构成的可拉伸电感式LC隐形眼镜传感器在信号质量和佩戴舒适性方面具有优势，但是目前其存在灵敏度略显不足的问题。

近日，清华大学马寅佶&浙江大学宋吉舟团队提出了一种用液态金属构建的LC传感器，以进一步形成可拉伸的电感和电容。电容板和电感线圈可以同时对IOP变化作出响应，从而从原理上提高了灵敏度。作者对传感机制进行了建模，并进行了设计、制造和各种测试。该器件具有可靠、信号质量好等特点。特别是，它的灵敏度提高了三倍，超过了目前最先进的隐形眼镜传感器。

隐形眼镜传感器示意图

a.隐形眼镜传感器的三维结构模型和分层原理图。

b.眼压监测数据采集方案。

c.微通道截面扫描电镜，比例尺:100 μm。

d.隐形眼镜传感器照片，比例尺:3毫米。

隐形眼镜眼压传感器的理论研究结果

a、b. 40 mmHg眼压下位移云图和应力云图。

c.线圈直径和宽度随眼压的变化率。

d.不同IOPs下电容和电感引起的谐振频率变化。

e.通过分析模型计算角膜参数(包括弹性模量和厚度)对灵敏度的影响。

f.分析模型与有限元模型的结果比较。

g.泪膜参数(包括弹性模量和厚度)对敏感性的影响。

h.分析模型与FEM的结果比较。

i.接触镜弹性模量和厚度对灵敏度的影响。

j.解析模型与FEM的结果比较。

k.透镜直径和线圈分布半径对灵敏度的影响;l分析模型与有限元模型结果的比较

隐形眼镜传感器的可用性和可靠性测试

a.通过充水膨胀试验表征通道的密封强度。

b.接触镜传感器的氧渗透性，误差条表示平均值±标准差(SD)， n = 3。

c.透光率。

d.水接触角。

e.长期配戴(>16 h)后兔眼钠荧光染色照片。

f.在以25%和50%的速率拉伸4000次以及折叠4000次后，传感器的标准化基线共振频率(均值±SD，测量3次)。

g.在10次振动清洗周期下，谐振频移(平均值±标准差，测量3次)。

h.传感器在接触镜护理液中储存30天后的频率偏移(平均值±标准差，测量3次)

隐形眼镜传感器在仿生眼球上的传感性能

a.实验装置。

b.不同眼压下的光谱信号(使用35:1 PDMS眼球)。

c, d.共振频率动态追踪双眼球下眼压结果。

e.校准谐振频率与IOPs的关系。

f.比较实验、理论和有限元的眼压传感灵敏度。

g, h.在接触镜传感器和读取线圈之间不同距离和角度的光谱信号和频率偏移(Mean±SD)。

隐形眼镜传感器在猪眼的离体和体内性能评价

。

a.去核猪眼实验装置示意图。

b.测量过程中眼球摘除的猪眼内的隐形眼镜传感器照片。

c.不同眼压下角膜接触镜传感器的光谱信号。

d.对3只猪眼球的共振频率(Mean±SD)与眼压的校准结果。

e.接触镜传感器戴在猪眼睛上的活体照片。

f.活体猪眼6小时眼压和共振频率随时间变化的结果。

g.活体猪谐振频率与眼压的校准结果。

隐形眼镜传感器在人眼的评价测试

a.人眼佩戴隐形眼镜传感器的照片。

b.佩戴角膜接触镜传感器6 h后的角膜表面裂隙灯荧光检查。

c.头低位卧床实验下共振频率和Icare眼压随时间的变化。

d.校准传感器谐振频率(平均值±SD)与人眼眼压的比较。

e.分别使用角膜接触镜传感器和Icare眼压计获得的眼压在5 h内随时间变化的变化(平均值±SD)。

▼参考资料

An, H., Wang, X., Liao, Z. et al. LC contact lens sensor for ultrasensitive intraocular pressure monitoring. npj Flex Electron 8, 53 (2024). https://doi.org/10.1038/s41528-024-00341-z

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编辑 | 徐嘉阳

来源 | NPJ Flexible Electronics

审核 | 医工学人理事会

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