作者:Haider Butt 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2024/1/24 18:00:12
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多功能过渡和温度响应的隐形眼镜

 

近日,来自阿联酋哈利法大学的Haider Butt团队,开发了一种具有紫外线转换和温度响应能力的多功能隐形眼镜,对眼部疾病的非侵入性诊断和治疗具有重要意义。

该文章发表在Light: Science & Applications,题为“Multifunctional transition and temperature-responsive contact lenses”,Ahmed E. Salih为论文的第一作者。

研究背景

眼部疾病是困扰大量人群的健康问题之一,导致眼部疾病的原因有多种,其中,过度暴露于紫外线(ultraviolet, UV)是导致白内障和其他眼部缺陷的主要原因。用于防护紫外线的隐形眼镜能够通过过滤紫外线降低产生白内障或其他缺陷的风险。最近,过渡镜片(transition lens)作为一种新型的紫外线防护镜片受到了广泛的关注。这些镜片利用光致变色分子,当暴露于紫外线下时,这些分子会被激活,使镜片变暗,从而达到防护紫外线的效果。除了紫外线之外,干眼症等眼部缺陷还受到眼部表面温度的影响,因此,在过去几年中,人们对使用生物传感隐形眼镜实时监测眼表温度的兴趣显著增长。学者们利用胆甾型液晶,超薄 MoS2 晶体管等材料开发了具备温度传感性质的隐形眼镜,但这些热敏隐形眼镜的制造复杂性阻碍了它们的进一步推广。

因此,如果能在规避上述镜片缺点的同时,开发出能够有效解决上述眼部疾病致因的镜片,无疑对于眼科治疗与智能可穿戴医疗设备技术的进一步发展具有极其重要的意义。

创新研究

在本研究中,研究成员基于光致变色和热致变色粉末的性质,通过将这些粉末掺杂进镜片中,制造了简单的低成本多功能过渡和温度敏感隐形眼镜。光致变色微粉通常由螺恶嗪或螺吡喃等核心光致变色材料制成,在紫外线曝光后会可逆地异构化并形成部花青结构(图一)。研究人员将核心光致变色材料封装在三聚氰胺甲醛树脂内,为光致变色材料提供长期稳定性。类似地,热致变色粉末由温度响应型染料或颜料制成,例如液晶、无色染料或无机颜料(例如二氧化钛和氧化铁)。对于荧烷无色染料,它们响应温度变化的质子化/去质子化状态决定了分子的排列,因此决定了粉末的颜色。研究人员对这些粉末的光学,材料和形态特性进行了表征和记录(图二),并对制作得到的隐形眼镜在不同状态下的光学和物理化学特性进行了表征与记录,包括可见光和紫外线下的透射率(图三,图四,图五,图六)。这些结果表明,在镜片中掺入这些粉末的方案,不仅流程简单,而且在紫外线防护和温度响应上均取得了良好的效果。

本研究开发了一种新型的多功能隐形眼镜,极大地促进了眼科治疗与智能可穿戴医疗设备技术的发展,具有极高的应用价值与潜力。

图一:多功能过渡和温度敏感隐形眼镜的制造。A) 光致变色和热致变色粉末的化学结构(左)螺吡喃结构材料(无色)在质子化和去质子化状态下转变为部花青(有色)和(右)荧烷无色染料。B) 镜片制造过程示意图。C) 不同刺激下的多功能隐形眼镜。

图二:粉末表征。不同放大倍数的 SEM 图像。A) 蓝色 UV,B) 粉色 UV,以及 C) 热致变色微胶囊粉末。D) 三种粉末的 FTIR 光谱。E) UV 和 F) 热致变色粉末的光学吸收光谱,显示基于触发刺激的非活性和活性状态响应。

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图三:过渡隐形眼镜在非活性状态下的光学特性。A) 可见光和 B) 紫外光透射光谱。C) 蓝光和紫外光阻挡百分比与粉末浓度的函数关系(蓝光和紫外光分别在 400 和 375 nm 处记录)。D) 过渡隐形眼镜的图像。含i) 蓝色和 ii) 粉色 UV 粉末的隐形眼镜。

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图四:过渡隐形眼镜在激活状态(暴露于紫外线下)的光学特性。照射的紫外光的波长为375 nm。A) 用于测量隐形眼镜紫外线响应性的实验装置示意图。B) 蓝色和 C) 粉色光致变色隐形眼镜在(实线)和没有(虚线)紫外线照射下的透射光谱。插图显示了接触镜片在紫外线照射之前和之后的数字图像。最高浓度的 D,F) 蓝色和 E,G) 粉色光致变色隐形眼镜的时间依赖性透射光谱和超过 50 个周期的照射耐久性。(来源:LightScienceApplications微信公众号)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41377-023-01304-1

 
 
 
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