来源:Micromachines 发布时间:2021/7/16 16:07:40
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中国科学院裴为华教授团队:无创监测眼压的新尝试——可穿戴式隐形眼镜传感器 | MDPI Micromachines

论文标题:Wearable Contact Lens Sensor for Non-Invasive Continuous Monitoring of Intraocular Pressure(用于无创连续监测眼压的可穿戴隐形眼镜传感器)

期刊:Micromachines

作者:Zhiqiang Dou, Jun Tang, Zhiduo Liu, Qigong Sun, Yang Wang, Yamin Li, Miao Yuan, Huijuan Wu, Yijun Wang, Weihua Pei and Hongda Chen

发表时间:22 January 2021

DOI:10.3390/mi12020108

微信链接:

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/micromachines

眼压 (IOP) 是青光眼诊断和治疗的重要指标。眼压具有明显的生理规律,常在夜间达到峰值。为了避免错过夜间峰值并对整个节律周期进行采样,迫切需要我们对眼压施行连续监测。

近期,来自中国科学院的裴为华教授及其团队在Micromachines 期刊发表了一篇题为“Wearable Contact Lens Sensor for Non-Invasive Continuous Monitoring of Intraocular Pressure”的文章。裴教授及其团队采用MEMS工艺在铂 (Pt) 应变片加工实现了可穿戴式隐形眼镜眼压传感器,其中,铂应变片的结构和参数得到优化,使得系统灵敏度和温度稳定性得以提高。裴教授及其团队所设计的可穿戴式隐形眼镜眼压传感器具有优异的系统性能,有望在眼压的连续监测中发挥重要作用。

材料和方法

为优化应变片的位置和结构,本研究采用有限元分析方法对角膜的形变进行分析。基于COMSOL建立角膜模型,本研究分别对眼球内表面施加0 mmHg、20 mmHg和40 mmHg的均匀压力,仿真结果如图1a、1b所示。仿真结果表明,角膜变形具有各向异性,尤其集中在角膜直径9 ~ 13 mm的周长 (角膜巩膜交界处) 处。因此,应变片应沿接触镜的周向放置,以最大限度地提高应变灵敏度。

图1. (a) 有限元模拟分析眼压为0 mmHg、20 mmHg、40 mmHg条件下的角膜变形轮廓。(b) 有限元模拟分析角膜在0 mmHg、20 mmHg和40 mmHg IOPs下的von Mises应力分布和变形轮廓。(c) 应变片结构设计图。(d) 惠斯通电桥示意图。(e) 眼压变化引起的接触镜变形示意图,导致曲率半径的变化Δr

制作过程

本研究设计的可穿戴式隐形眼镜眼压传感器制作过程如图2所示,具体可概括为:

(1) 用丙酮、无水乙醇、去离子水依次清洗4英寸硅片;

(2) 将2 μm厚的聚酰亚胺 (polyimide,PI) 旋涂在硅片上,通过逐步加热到300°C进行固化;

(3) 将厚度为1 μm的负胶 (ar - n4340) 旋涂在PI表面,在110℃温度下前焙2 分钟;

(4) 用掩模板在光刻机下进行光刻,经过后烘、显影后在PI表面形成图案;

(5) 采用氧等离子体系统去除残余光刻胶。然后依次用热蒸发法制备10 nm厚度的钛 (Ti) 层和90 nm厚度的Pt层,随后在丙酮溶液中剥离硅片,得到图形化的金属膜层;

(6) 在金属膜层表面旋涂2 μm厚的PI;

(7) 在PI上旋涂一层6 μm厚的正胶 (az4620);

(8) 在光刻机下用掩模板进行二次光刻,与步骤二图案在PI底部形成不同的是,此次步骤所设计的图案在PI的顶部形成;

(9) 采用反应离子刻蚀机刻蚀PI层,获得应变片,并将应变片从硅片上剥离;

(10) 将应变片的电极用导电银胶连接到导电丝上;

(11) 制备了预聚体与固化剂质量比为10:1的PDMS。将PDMS铸在隐形眼镜模具上,然后将制作好的应变片附着在隐形眼镜模具上。随后,将PDMS再次滴在应变片上,在90°C下固化2小时。最后,将弯曲的隐形眼镜传感器从模具上剥离。

图2. 传感器的制作过程。

制作好的应变片附着在PDMS隐形眼镜模具之前的状态如图3a所示。由于PDMS具有高渗透性、高透明度、柔韧性强和生物相容性好等优点,因此,最终制作好的眼压传感器也具有极佳的灵活性和透明度,如图3b所示。

图3. (a) 应变片和 (b) 隐形眼镜传感器的物理图像。

结论

综上所述,本文介绍了一种可实时连续监测眼压变化的无创可穿戴隐形眼镜传感器。为了提高传感器的灵敏度和系统精度,本研究设计了由两个应变电阻和两个参考电阻组成的惠斯通电桥。在角膜形变仿真结果的指导下,本研究对传感器的设计参数进行了优化,并进一步提高了传感器的灵敏度。该传感器采用了MEMS工艺来制作铂应变片,并将其封装到PDMS层中。在15-35 mmHg的眼压变化范围内,本研究所设计的传感器,平均灵敏度为289.5 μV/mmHg,该参数高于以往同类眼压传感器。此外,本研究设计的传感器还具有良好的重复性和对不同眼压变化速度的动态响应特性。该传感器的温度漂移系数为33.4 μV/℃,使得系统对温度引起的测量误差低于0.4 mmHg。最后,在100 μA的恒流源下进行30分钟测试,本系统的最高温度变化仅为0.4℃,该结论进一步证明了系统在佩戴时的安全性。因而,本文提出的眼压传感器在青光眼患者眼压连续监测中具有广阔的应用前景。

期刊简介

Micromachines (ISSN 2072-666X, IF 2.891) 是MDPI 组织出版的国际型开放获取期刊。期刊研究内容涉及微/纳米结构、材料、器件、系统及与微纳技术相关的基础研究及应用。目前期刊已被SCIE、Ei Compendex、Scopus等数据库收录。Micromachines采取单盲同行评审,一审周期约为12.6天,文章从接收到发表仅需1.9天。

 
 
 
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