【背景介绍】
色觉缺陷症（CVD），通常 也 称为色盲，是一种遗传性眼疾，限制了患者区分特定颜色的能力。后者取决于疾病类型及其严重程度。它限制了患者可以执行的活动或琐事的范围。例如，由于颜色识别在这些职业中至关重要，因此CVD患者被限制在军事，航空和某些医疗领域工作。此外，人眼通过位于眼睛后部的感光锥来感知颜色（图1a）。感光锥有三种类型，即短（S）锥，中（M）锥和长（L）锥。这些视锥细胞也以它们最敏感的颜色来表示。实际上，蓝色，绿色和红色感光锥分别是指S锥，M锥和L锥。此外，视入射光的波长而定，视锥细胞在不同的水平上被激活，并 且眼睛所感知的颜色是来自三个视锥细胞的信号的组合。
图 1.色觉不足时的视觉感知。（a）眼睛内部的感光细胞和视杆细胞。（b）正常色觉和不同类型的CVD所见的有色材料的图像。（c）正常，（d）质子和（e）氘核的感光细胞在520 nm处的活化百分比。（f）Mie理论模拟了金纳米颗粒的吸收光谱随其直径的变化。
【背景摘要】
CVD是一种眼先天性疾病，影响8％的男性和0.5％的女性。色觉不足的最普遍形式（色盲）会影响 红色盲基因 和 绿色盲基因 ，并且通常被称为“红绿色盲”。由于无法治愈这种疾病，因此CVD患者选择可穿戴设备以帮助增强他们的色彩感知能力。CVD患者最常使用的可穿戴设备是有色玻璃/镜片。对于使用有机染料的红绿色CVD患者，这些眼镜可以滤除有问题的波长（540–580 nm）。然而，很少有研究针对彩色视力不足的隐形眼镜的制造，并且报道了与其有效性和毒性有关的几个问题。在这项研究中，金纳米颗粒被集成到 隐形眼镜材料中，从而形成了针对红绿 CVD应用的纳米复合隐形眼镜。 阿拉伯联合酋长国哈里发大学 Ahmed E. Salih 和 Haider Butt 教授团队 在《ACS Nano》上发表了题为 Gold Nanocomposite Contact Lenses for Color Blindness Management 的论文。
表征了 三组 不同的纳米颗粒，并将其与镜片的水凝胶材料（pHEMA）结合在一起，并评估了所得的光学和材料性能。 所开发的纳米复合透镜的透射光谱类似于商业CVD可穿戴设备的透射光谱，并且它们的保水性和润湿性性能优于某些用于美容/视力矫正目的的商业隐形眼镜。因此，这项工作证明了金纳米复合材料镜片在CVD管理以及更普遍的彩色滤光应用中的潜力。
【图文解析】
预聚合的表征如图 2所示。对“方法”部分中概述的三组纳米颗粒进行了表征。这三个纳米粒子组的直径分别为12.73±4.01、44.31±4.17和85.82±6.57 nm，按其大小直方图显示。40和12 nm组GNP的直径标准偏差相对较高，因为它们分别占近10％和30％，而80 nm组的多分散性较小，因为其标准偏差仅为纳米颗粒直径的6.5％ 。尽管如此，TEM图像（图2）表明所有金纳米颗粒均布均匀，没有聚集或团聚的迹象。透射光谱显示在该图的第二部分（图2）。
图 2. （a）12 nm GNP，（b）40 nm GNP和（c）80 nm GNP的预聚合特征：（ii）纳米颗粒在其溶液中的透射光谱；（iii）无论是通过实验还是根据Mie理论预测，改变纳米颗粒溶液的折射率对表面等离振子共振位置的影响。
聚合前后，显影后的纳米复合材料的透射光谱及其图像如图 3所示。对于三组纳米颗粒中的每组，将四个不同的体积浓度添加到水凝胶溶液，其中A和D分别代表最低和最高NP浓度的样品。这样做是为了研究NP添加对已开发的纳米复合材料镜片透射光谱的影响。
图 3.聚合的12 nm GNC，40 nm GNC和80 nm GNC（从左到右）： （a）聚合纳米复合材料的透射光谱；（b）纳米复合物在聚合之前的溶液（规模：10毫米）；（c）聚合溶液并获得纳米复合材料镜片的步骤；（d）不同浓度（比例：10毫米）的聚合纳米复合材料镜片。注意，A和D分别具有最低和最高浓度的添加的纳米颗粒。
为了验证纳米粒子在透镜内的聚集或簇形成，对最低和最高浓度的纳米复合材料横截面的 SEM显微照片进行了成像，如图4所示。首先，低和高浓缩为12nm GNCs，在所示图4一个（I，II），没有明显的聚集体，像其他两组在图4 B，C。同样，可见的纳米粒子（可能是一簇簇的粒子）被均匀分散。但是，在12 GNC的高浓度样品中，可见纳米颗粒的尺寸比低浓度样品中的可见纳米颗粒的尺寸稍大。实际上，图4中纳米颗粒的平均直径a（i）为74 nm，而图4 a（ii）为136 nm，表明在前者中，平均六个粒子代表单个粒子（或聚集体） ，而在后者中，簇则组成平均 11种纳米粒子。但是，NP簇大小的这种差异不会影响光谱透射率的下降幅度（图3a），因为漂移幅度的范围仅为2 nm。尽管如此，NPs的簇集将其分子量从其在34 nm（在水中）的初始值改变为52 nm。
图 4. （a）12 nm GNC，（b）40 nm GNC和（c）80 nm GNC的SEM显微照片，其中图像（i）和（ii）表示最低和最高浓缩样品，分别表示为A和d在图3。
图 5显示了纳米颗粒的添加对三种纳米复合材料镜片的水含量和接触角的影响。通常，在图5（ii）的所有三个图中都观察到了类似的趋势。如预期的那样，由于纳米颗粒浓度的增加，镜片的保水率和润湿性降低。因此，隐形眼镜的表面变得更疏水，并且纳米复合材料的溶胀度降低。
图 5. （a）12 nm GNC，（b）40 nm GNC和（c）80 nm GNC的润湿性和水分含量测量：（i）四种纳米复合材料的接触角测量，在 图3 中以A–D，采用固着落法；（ii）纳米粒子浓度对金纳米复合材料的水含量和接触角的影响。
通过光学和材料特性对纳米复合材料进行表征后，针对其他 CVD管理可穿戴设备评估了已开发镜片的性能，并评估了其作为合适过滤技术的功效。从三组纳米复合材料的每组中选择一个最佳样品作为该组（尺寸）的代表。这是根据之前显示的获得的镜片特性完成的。首先，通过绘制纳米复合材料的光谱以及红绿CVD患者的光谱图来评估其有效性，如图6所示。一种。用于红绿色CVD患者的已部署滤光片应阻挡光谱中特定波长的光，该波长对应于两个感光细胞同时被激活的区域（红色和绿色曲线之间的交点）。在图6中a，该相交处用黑色圈出，发现波长为560 nm 。此外， 12 nm金纳米复合材料的透射斜率距离该相交处22 nm，但在该波长处它却阻挡了50％的光，并有效地透射了其余波长。605 nm以外的透射率是80％。
图 6.纳米复合材料镜片的性能评估。 （a）12纳米，40纳米和80纳米金纳米复合材料的透射光谱与 红色盲基因 或 绿色盲基因 感光锥的光谱敏感性相比。（b）12、40和80 nm金纳米复合材料的透射光谱与Enchroma，VINO和Atto染色镜片的光谱相比 。 （c）某些材料的接触角和水含量的图示 与已开发的纳米复合材料镜片相比，常见的商用隐形眼镜。
参考文献： doi.org/10.1021/acsnano.0c09657
版权声明：「高分子材料科学」是由专业博士（后）创办的公众号，旨在分享学习交流高分子聚合物材料学等领域的研究进展。上述仅代表作者个人观点。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载或投稿请后台联系编辑。感谢各位关注！