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英国萨里大学赵云龙《Matter》:赛博朋克2021?!多功能智能隐形眼镜

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高分子科学前沿 2021-01-14 13:39

科幻作品中有很多对于智能义体的描述,通过脑机接口,将电子信息与脑神经的生物信息直接进行沟通,用机械义体代替原有的器官,让人恢复正常的知觉或者强化原本的感官。这其中眼睛作为人脑90%信息的来源,无疑是最受关注的器官,从赛博朋克之父威廉吉布森的作品《零伯爵》中的“蔡司虹膜”,到《攻壳机动队》中巴特的军用光学电子义眼,再到当下热门的《赛博朋克2077》中可以随意购买升级的智能义眼,人们对电子义眼充满了幻想。但其实早在1989年《攻壳机动队》连载前的大约10年,通过电极阵列刺激大脑视觉皮层将摄像机采集的电子信号转为人类视觉信号的义眼雏形产品已经成型。1978年,视觉脑-机接口方面的先驱William Dobelle,在一位男性盲人的视觉皮层植入了68个电极的阵列,成功制造了光幻视,使盲人可以看到灰度调制的点阵图像。但是很明显这种侵入式危险性极高,因为必须通过开颅手术等方式向脑组织内植入传感器,容易引发机体免疫反应。此外,愈合组织也会影响信号传输。从接受度来讲,侵入式因必须进行手术,让人望而却步,不易被接受。相较而言,非侵入式在体外检测信号,因而具备易用性、便携性,价格相对也较低。

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当下,来自英国萨里大学赵云龙博士团队联合英国国家物理实验室(NPL)、哈佛大学、中国科技大学和浙江大学宁波研究院的研究人员开发了一种超薄多功能智能隐形眼镜。这种智能隐形眼镜可以作为一种非侵入式的“义眼”,可以在接受外部光学信息的同时,持续监测眼泪中的相关生物标记物水平以及温度用于诊断潜在角膜疾病的。该系统采用超薄MoS2晶体管为基础的蛇形网状传感器系统,提供高检测灵敏度的同时具有机械鲁棒性。这种智能隐形眼镜显示出良好的生物相容性,有望成为下一代智能可穿戴设备,并为未来的脑机接口提供了新的思路。该工作以“Integrated contact lens sensor system basedon multifunctional ultrathin MoS 2 transistors”为题发表在《Matter》上。

智能隐形眼镜的结构设计

智能隐形眼镜整体结构,包括一个甜甜圈形状的三明治传感器层和附着在眼球上的PDMS镜片衬底。MoS 2晶体管用一层PI薄膜机械增强,蛇形电极(Au)和PI网状结构提供了器件柔性/延展性和高透光性。传感器层由一个MoS 2光电探测器、一个MoS 2葡萄糖传感器和一个温度传感器组成,每个传感器通过一对蛇形金属电极相互连接。PDMS作为衬底在包括隐形眼镜在内的多种生物医学领域得到了广泛的应用,可以同时提供穿戴舒适性和优良的生物相容性。

Figure.1基于超薄MoS2晶体管的蛇形网状传感器系统的智能隐形眼镜结构设计

智能隐形眼镜的制作与结构表征

作者采用大面积超薄MoS 2片状晶体管进行光检测和葡萄糖传感,使用了金介导的剥离和组装策略,来为大尺寸(~200*100μm)MoS 2薄片进行图案处理。通过统计,用该方法得到的MoS 2薄片面积大小比传统方法大两个数量级。剥离的MoS 2薄片能够承载多个具有不同通道长度的FETs,为优化设备配置提供了平台。在V DS = 5 V时,开/关比超过10 7。

用电子束蒸镀和氧等离子体将金电极和PI层都图案化后,用缓冲氧化物蚀刻液对整个传感器层进行清洗和化学释放,实现柔性和可拉伸。合理设计了蛇形网状结构的宽度和半径,使其与透镜基板的曲率完美匹配。有限元分析(FEA)显示了在不同力或变形下透镜上传感器层的应变分布,体现了器件的机械鲁棒性。

Figure.2剥离大面积MoS2片状晶体管的转移过程和性能表征

Figure.3一种智能隐形眼镜的“图案化-释放-转移”过程及力学分析

多功能传感器系统的特性

该多功能传感器系统由光电探测器、葡萄糖传感器、温度传感器组成。在光照条件下,表现出了比暗场下高两个数量级的I ph,。用不同波段和不同强度的光测试,该器件展现出不同的响应度以用于危险预警。并且在紫外照射下有最高10 3开/关比,以及高响应率(4.8 A/W)。使用叉指电极的大面积来吸收和固定酶以提高灵敏度,并与泪液直接接触以更好地识别葡萄糖和增强电导。超薄的二硫化钼晶体管对于血糖监测表现出超高灵敏度(<0.1 mM),超快的响应(<1s)。在人工泪液中加入不同浓度的葡萄糖,对该传感器进行长达24小时的测试,传感器没有明显的衰减,显示出高稳定性。使用金线电极制成的温度传感器即使在高度拉伸的情况下也能精确测量温度。

Figure.4多功能传感器系统的性能

智能隐形眼镜的透明度和细胞毒性的表征

Figure.5智能隐形眼镜的光学透过率/雾度测试和体外细胞毒性测试

该隐形眼镜在可见光范围内表现出~93%的高光学透过率和~3%的低雾度,并在0%至30%的拉伸应变下保持稳定。使用人脐静脉内皮细胞(HUVECs)进行了七天体外细胞毒性试验,证明了器件优良的生物相容性。

总结

作者演示了一种基于超薄MoS2晶体管和金线电极的多功能传感器系统,该系统使用简单的组装方法,使传感器直接接触到泪液,提供高的检测灵敏度。薄的网状结构确保了强大的机械鲁棒性和高延展性,同时保持了高透明度。体外实验证明了该系统优良的生物相容性。该设备的功能包括检测光学信号、葡萄糖水平和角膜温度。萨里大学赵云龙博士表示:"这些成果不仅为制造先进的智能隐形眼镜提供了一种新颖且易于制造的方法,而且为设计其他多功能电子产品用于物联网、人机界面等提供了新的方向。我们基于超薄晶体管的蛇形网状传感器系统和制造策略,可以进一步加入其他功能部件,如视网膜电图电极阵列、无线通信的天线,以及电源模块,如薄膜电池和酶生物燃料电池,为未来的体内探索和实际应用提供保障。"

全文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520306718?via%3Dihub#!

来源:高分子科学前沿

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