De senaste framstegen inom smarta kontaktlinser kan hjälpa biomedicinska ingenjörer att realisera medicinska tillämpningar och synavbildning för förstärkt verklighet med trådlösa kommunikationssystem. Tidigare forskning om smarta kontaktlinser drevs av ett trådlöst system eller trådlös kraftöverföring med tidsmässiga och rumsliga begränsningar. Sådana kraftkällor kan begränsa deras kontinuerliga användning och kräver energilagringsenheter. Styvheten, värme och stor batteristorlek är också mindre lämpade för mjuka, smarta kontaktlinser. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Jihun Park och ett forskarteam vid avdelningarna för materialvetenskap och teknik, Center for Nanomedicine och Department of Engineering i Korea, beskrev ett mänskligt pilotförsök för smarta kontaktlinser. De konstruerade linserna med en trådlöst uppladdningsbar, solid state superkondensator för kontinuerlig drift. Forskargruppen skrev ut superkondensatorn och integrerade alla enhetskomponenter, inklusive antennen, likriktare och lysdiod som använder sträckbara strukturer för att forma den mjuka linsen utan att hindra synen. Enheten var pålitlig mot termisk och elektromagnetisk strålning, med lovande testresultat in vivo och betydande löfte om smarta kontaktlinser i framtiden.

Framsteg inom bärbar elektronik har gjort det möjligt för biomedicinska forskare att övervaka fysiska tecken och metaboliter i mänskliga kroppsvätskor. Smarta kontaktlinser kan studeras omfattande som en ny plattform för att kontinuerligt övervaka vitala tecken i ögonen och i tårar för att undersöka biomarkörer associerade med sjukdom. Linserna kan även erbjuda utökade applikationer inom andra områden som smarta enheter för läkemedelsleverans och augmented reality. Mjukheten hos smarta kontaktlinser är avgörande för användarens komfort under långa tidsperioder under intermittent trådlös drift. Styvheten, värmegenerering och batteristorlek hade gjort föregående linser mindre lämpade att fungera efter behov. För att hantera befintliga gränser, Park et al. introducerade ett nytt tillvägagångssätt för att konstruera en mjuk, smart kontaktlins med en trådlöst uppladdningsbar solid-state superkondensator för kontinuerlig drift av den elektroniska enheten.

Först, de bildade ett aktivt kol-baserat, fast tillstånd, elektrisk dubbellagers superkondensator med hög precision, microscale direct ink writing (DIW) process för att skapa den smarta kontaktlinsen. Superkondensatorer uppvisar vanligtvis långa livscykler och hög effekttäthet för konsekvent trådlös laddning och urladdning av invanda elektroniska enheter i smarta kontaktlinser. Superkondensatorn i detta arbete fungerade också som ett fysiskt stöd under 3D-lager-för-lager-integrering med tillhörande elektroniska kretsar och antenn för att bilda det trådlösa laddningssystemet. Detta var ett utmanande steg på grund av den smarta kontaktlinsens begränsade yta.

Park et al. kombinerat det trådlösa laddningssystemet med solid-state superkondensatorn för att underlätta kontinuerlig och repetitiv drift av den smarta kontaktlinsen utan en extern elektrisk port. För att konstruera töjbara geometrier för antennen, forskarna använde hybridnanostrukturer av ultrastarka silvernanofibrer (AgNFs) och fina silvernanotrådar (AgNWs). Dessutom, de använde ett töjbart hybridsubstrat bestående av styvt förstärkta öar och en mjuk matris för att förbättra uthålligheten hos kontaktlinsens spröda komponenter mot mekanisk deformation. Systemet visade enastående uthållighet efter 300 cykler med en biaxiell dragpåkänning på 30 procent. Den smarta kontaktlinsen bibehöll hög mjukhet och komfort utan att skymma synen för bäraren, samtidigt som de skyddar elektriska enheter från att gå sönder över en sjudagars tidslinje. Det trådlösa laddningssystemet undvek plötslig uppvärmning för att skydda bärarens säkerhet. En human pilotförsök och in vivo translationella studier på levande kaniner verifierade ytterligare linsens biokompatibilitet.

Park et al. kombinerade den trådlöst laddningsbara solid-state superkondensatorn med likriktarkretsen, antenn och lysdiod (LED) inom layouten av mjuka, smart kontaktlins. De inkluderade en trådlös kraftöverföringsenhet (WPT) i det övre lagret av den smarta kontaktlinsen och det nedre lagret innehöll solid state-superkondensatorn för att upprepade gånger lagra och använda elektrisk kraft. Forskargruppen integrerade lysdioden som en indikator för att upptäcka trådlös drift av den smarta kontaktlinsen. Den bågformade formfaktorn säkrade maximal energitäthet inom kontaktlinsens begränsade områden, vilket möjliggör deformerbarhet när den sträcks. För att förhindra störningar av bärarens synfält, teamet designade den smarta kontaktlinsen för att innehålla alla komponenter utanför bärarens pupill. De inkluderade också en elektrodkonfiguration i planet för att minimera plötsligt fel i den interna kortslutningen. Park et al. observerade de resulterande elektroderna och solid-state elektrolyten framställda med hjälp av DIW-processen (direkt bläckskrivning) med scanning elektronmikroskop (SEM) bilder.

Forskargruppen tryckte den bågformade, monolitiskt integrerad solid-state supercapacitor (MIS-supercapacitor) direkt för att forma den smarta kontaktlinsen samtidigt som man introducerar ett parylenbaserat packningsskikt för att förhindra läckage av det ingående materialet i ögonen. Superkondensatorn visade rimliga cykelprestanda i kombination med det trådlösa laddningssystemet för långtidsanvändning. Studien bildade en första rapport om en strömkälla-integrerad smart kontaktlins med hållbar elektrokemisk prestanda.

Park et al. konstruerade sedan den trådlösa kraftöverföringskretsen (WPT) för att ladda superkondensatorn. Den underliggande WPT-kretsen visade god mekanisk töjbarhet och kemisk stabilitet för att uthärda en mängd olika stimulanser. Kretsen hade försumbar försämring av sin elektriska prestanda även under dess sträckande tillstånd - lämpad för flexibla och mjuka kontaktlinser. Forskargruppen karakteriserade superkondensatorn och WPT-systemet med hjälp av trådlös laddning/galvanostatisk urladdningsprocess och laddade superkondensatorn fullt ut med hjälp av trådlösa laddningsförhållanden inom en relativt kort tid (240 sekunder). Det trådlösa systemet gav pålitlig prestanda över flera cykler för smarta kontaktlinser – lämpade för långvarig användning.

Det färdiga mjuka kontaktlinssystemet innehöll därmed en trådlöst uppladdningsbar superkondensator, antenn, likriktarkrets och LED förenade i töjbar form. Efter att ha assimilerat lagren, forskarna kapslade in de elektroniska komponenterna i en silikonelastomer som ett kommersiellt tillgängligt mjukt kontaktlinsmaterial gjutet till formen av en kontaktlins. När man kör trådlöst, den inbyggda lysdioden visade status för trådlös laddning och urladdning. Forskargruppen testade först enheten på ögat av en skyltdocka och övervakade värmegenerering under trådlös användning av linsen med en infraröd (IR) kamera. Resultaten visade på tillförlitligheten hos den smarta kontaktlinsen mot termisk eller elektromagnetisk strålning. Under in vivo translationella tester, forskarna underlättade kontaktlinsen på ögat på en levande kanin för tillförlitlig drift utan märkbara biverkningar eller plötslig värmeutveckling. Under efterföljande mänskliga pilotförsök på ett mänskligt öga, Park et al. testade alla funktioner inklusive trådlös laddning/urladdning av superkondensatorn och LED. Resultaten var genomförbara med trådlösa funktioner som förväntat och utan biverkningar.

På det här sättet, Jihun Park och kollegor konstruerade en mjuk, smart kontaktlins för att ladda en superkondensator trådlöst för kontinuerlig funktion. De bäddade in de elektroniska komponenterna inklusive en töjbar antenn, likriktarkretsar, Lysdioder och en superkondensator för att bilda den mjuka, smart kontaktlins utan att hindra bärarens syn på användningen. De genomförde många stabilitetstester för långvarig användning av mjuka, smart kontaktlins. Pilotstudierna på människor och translationella studier med levande kaniner verifierade god biokompatibilitet. Forskargruppen förväntar sig att använda plattformen som en miniatyriserad, bärbar elektronikenhet med kontinuerlig funktion.

© 2019 Science X Network