NC：一种用于眼压即时监测和感觉反馈的神经形态隐形眼镜 （北京理工大学沈国震教授团队）

现有技术缺点

1. 缺乏神经反馈和及时治疗：现有的智能隐形眼镜虽能监测眼内压（IOP），但缺少神经反馈，无法及时提供预警或有效的治疗干预。

2. 精度不足：部分设备仅能粗略监测眼内压，无法满足眼疾的精确诊断和治疗需求。

3. 复杂性与生物兼容性问题：现有设备制造复杂，缺乏灵活性和生物兼容性，难以在日常生活中长时间佩戴。

文章亮点

1. 神经假体智能隐形眼镜：提出了一种神经假体隐形眼镜，能够高精度实时监测眼内压，并通过神经反馈机制控制运动反应，提供早期预警。

2. 高灵敏度和生物兼容性：采用   材料的应变传感器，具有12.52 mV mmHg^-1的高灵敏度，确保精确监测，且与兔眼的体内实验显示出良好的生物兼容性。

3. 闭环神经反馈系统：通过监测眼内压变化，触发神经信号，引发运动皮层控制下的身体反应，形成一个闭环系统，用于实时预警和治疗。

4. 温度校正与持久稳定性：该隐形眼镜还集成了温度传感器，能够对信号进行校正，保证监测的准确性和长期稳定性。

应用场景

1. 青光眼患者早期监测：针对青光眼患者进行连续眼压监测，帮助预防病情恶化。

2. 术后患者与视力矫正人群：为近视矫正手术后的患者或眼睛过度使用人群提供非侵入性的眼压监测。

3. 其他神经反馈场景：该技术不仅适用于眼科，还可推广至其他需要神经反馈的医学领域。

总结

该文章提出了一种集成高灵敏度传感器和神经反馈回路的神经假体智能隐形眼镜，能够实时监测眼内压并提供运动反馈预警。其生物兼容性和小型化设计使其具有广泛的应用前景，有望在眼科和其他神经反馈相关领域实现技术突破。

文章名称：Neuroprosthetic contact lens enabled sensorimotor system for point-of-care monitoring and feedback of intraocular pressure

期刊：Nature Communications

文章DOI：

    https://doi.org/10.1038/s41467-024-49907-5

通讯作者：北京理工大学沈国震（Guozhen Shen）教授和李腊（La Li）副教授

神经假肢隐形眼镜用于现场眼压监测和预警

    为了实时感知眼压变化，设计了一种神经假体隐形眼镜，通过调节眼睛与大脑之间的神经振荡来引发分级的痛觉体验，包括用于监测眼内压的  和用于传输和编码信息的集成线圈（图1）。

图1 神经假体隐形眼镜及其  软性隐形眼镜的数码照片。a 人类眼球和眼球结构的示意图，其中在眼压升高时变形最明显的结构（角膜、虹膜和巩膜）被标注出来。上半部分展示了虹膜阻塞排水通道的示意图，导致眼内压增加。相反，正常眼压下房水在前房中的流动则在图的下半部分展示。右侧是基于神经假体隐形眼镜的神经形态人工电路。b 广温范围内眼压监测反馈的方框图。c 具有压力检测和温度检测双重功能的  的照片。

材料工程与结构设计

    为了提高眼压传感器的灵敏度，设计了一种基于Wheatstone桥电路和应力集中的压力传感器。图2c中显示的仿真结果表明，随着眼压的增加，变形主要发生在角膜巩膜交界处，这主要是由于杨氏模量的差异引起的。随着眼压的增加，角膜变形会变得更大，这可以通过  和角膜的共形变形来检测到。

图2 用于眼压监测的  的构造和结构设计。a   的结构。面板1显示了Ti3C2Tx MXene电极功能材料的SEM图像。面板II显示了功能电极层的厚度，该厚度是通过原子力显微镜测量得出的。面板III突出显示了  观察区域的高透明度。b 角膜基弧与轴向变形距离（R）与眼压之间的关系。c 不同眼压（10、30和50mmHg）下眼球表面应力分布，其中角膜位于上半部分，巩膜位于下半部分。角膜的周向和径向方向都有清晰的标记。d 角膜基弧在环向和径向方向上与眼压的关系。e 电极厚度对1%应变恢复灵敏度的影响。插图展示了  的结构，其中蓝色表示钛原子，粉色表示碳原子，黄色表示表面功能基团。f 一个Wheatstone桥电路的示意图，其中R1和R4代表主动应变片，R2和R3代表被动应变片。g 直线和蛇形电极在原始状态和2%应变下的有限元分析。h 蛇形和直线电极的电流变化与拉伸应变的关系。比较先前报道的角膜隐形眼镜眼压传感器与作者的工作在测量范围（i）和灵敏度（j）方面的差异，其中Pt-Ti、GO-CNTs和COBL分别定义为铂-钛、还原石墨烯氧化物和碳纳米管以及导电全有机双层薄膜。

  的性能评估

    建立了一个模拟眼内压测试平台，包括压力调节系统、压力测试系统和压力反馈系统，用于评估神经假体隐形眼镜提供的感觉反馈的准确性和速度（图3）。

图3 Ti3C2TxSCL的性能分析和生物相容性测量。a 模拟眼压测试平台的示意图，包括三个模块：压力控制、设备测试和数据提取。插图是仿生眼球的照片。b Ti3C2Tx-SCL在1倍速下对6.25 mmHg压力变化的静态响应。c 输出电压变化与压力之间的拟合关系，每个点是在相应压力下进行5个周期的平均值。d 在不同压力幅度（0-10, 0-20, 0-30, 0-40, 0-50 mmHg）下1倍速的输出电压变化曲线。e 在0-20 mmHg范围内，5x, 3x, 1x, 0.5x和0.1x速度下的输出电压变化曲线。f 初始状态和受拉伸应力时  纳米片的显微结构示意图，以及电子传输通道的变化，其中蓝色表示钛原子，黑色表示碳原子，黄色表示表面功能基团。g 细胞毒性测试在第1、3、4、5和7天的荧光和光学照片，以及(h)存活率和凋亡率统计。

 从-20°C到40°C范围内的温度校正

    制备了基于  的温度传感器，具有高灵敏度（TCR = −0.996%）和良好的线性（R2 = 0.99877），可在−20至20°C的温度范围内实时监测环境温度，如图4c所示。   具有丰富的表面基团（-O、-OH和-F），表现出窄带隙半导体特性和纳米片之间的接触电阻，升高的温度促进了电子隧穿效应，提高了电子传输效率并增加了载流子浓度（图4b）。图4e中在−5°C和5°C的循环测试说明了传感器在不同温度下的准确性和耐用性，分别仅在−5°C和5°C时的响应变化为0.367%和0.797%。如图4f所示，对  进行了0-50 mmHg范围内的循环测试，在-20°C和40°C时的灵敏度分别为环境温度（25°C）的206.7%和88.4%，灵敏度与温度之间存在良好的线性关系。因此，基于上述测试结果，Ti3C2Tx-SCL的温度补偿方法在图4g中指定。在室温环境下，  在压力和零压状态之间的输出电压差直接对应于IOP的值。在可变温度环境下，相同IOP波动下的输出电压差与室温下的输出电压差不同，此时，外部电路根据温度传感器测量的环境温度调整输出电压，以获取准确的IOP值。

图4 Ti3C2Tx MXene温度传感器的性能表征及 的温度校正。a. 冰花上的  照片，展示其在低温下使用的稳定性。b. 基于  的电极的温度传感机制。c. 温度传感器的静态测试和拟合结果。d. 不同温度下的IOP（眼内压）梯度测试。e. 在-5°C和5°C的循环测试。f.   在IOP范围0-50 mmHg内的灵敏度变化率。插图显示了  在不同温度下的热像（视频2）。g. IOP监测系统中的温度补偿流程图。

神经形态感觉运动回路的演示

    在活体大鼠模型中研究了神经系统在眼压异常时的神经冲动传递（图5a）。当通过向大鼠眼睛注射盐水诱导高眼压时，体感皮层的电位没有变化，表明眼睛和大脑之间的神经振荡较弱。当眼压异常时，神经假体隐形眼镜连接到大鼠的大脑，成功观察到了体感皮层中的神经冲动，建立了与眼压相关的肢体感觉。最终，控制信号由大脑皮层处理并传递到运动皮层，从而控制体运动，完成人工感觉运动回路（图5a III）。

图5 用于眼压感知-运动反馈回路的神经形态CL。a 眼压感知和反馈的神经回路的示意图。面板1描绘了一种神经假体隐形眼镜，可向大脑提供感觉反馈。面板II是用于感知眼压的神经反射回路的示意图。面板III记录了在大鼠异常眼内压时刺激信号到体感皮层和在运动皮层中收集的相应电位信号。面板IV显示了用于诱导腓肠肌收缩的坐骨神经刺激的示意图。b 压力和温度信号处理步骤的系统块图，包括信号采集、处理、控制、通信和显示。c 活体大鼠模型中腿部抽搐反应的照片和在各种模拟眼压水平下刺激的实时眼压显示（从左到右，图像显示范围为0-9 mmHg的低眼压、10-21 mmHg的正常眼压，以及分别为22-30、31-40和41-50 mmHg的高眼压）。d 活体大鼠模型中在各种眼压水平下刺激时腓肠肌中获取的信号（灰色曲线显示了NCL的刺激信号）。

Liu, W., Du, Z., Duan, Z. et al. Neuroprosthetic contact lens enabled sensorimotor system for point-of-care monitoring and feedback of intraocular pressure. Nat Commun 15, 5635 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49907-5

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