Портативные электронные устройства, способные осуществлять мониторинг человеческого организма в режиме реального времени, могут обеспечить новые способы управления состоянием здоровья и нормальной функциональностью человека.
Растягивающаяся и похожая на кожу электроника в сочетании с беспроводной связью позволяют проводить неинвазивные и комфортные физиологические измерения, заменяя традиционные методы, использующие проникающие иглы, жесткие печатные платы, клеммные соединения и источники питания.
Исходя из этого, "умные" контактные линзы являются многообещающим примером портативного устройства мониторинга состояния здоровья.
Надежность и стабильность мягких контактных линз были тщательно изучены. В этом направлении были достигнуты значительные успехи. Например, существенно было минимизировано раздражение глаз для максимального комфорта пользователя. Слезы пользователя могут собираться в контактные линзы совершенно естественным путем, а именно, путем нормальной секреции и моргания, и использоваться для оценки различных биомаркеров, обнаруженных в крови, таких как глюкоза, холестерин, ионы натрия и калия.
Ещё 5 – 10 лет назад, не смотря на то, что запуск в массовое производство «умных» контактных линз был весьма многообещающим методом диагностики различных заболеваний на ранних стадиях, а так же перспективным способом по сокращению заболеваемости населения, имелся целый спектр проблем, тормозящих процесс внедрения. В процессе разработки "умных" контактных линз учёным необходимо было решить целый ряд важных вопросов, таких как:
- найти электронные материалы для аппаратуры наблюдения, микросхем, металлических антенн и соединений, которые не будут блокировать зрение пользователей;
- найти способ интеграции компонентов электронного устройства на плоских и пластических подложках, который не будет приводить к деформации пряжек при преобразовании в кривую форму для объективов, что вызывает посторонние предметы, которые могут раздражать глаза и веки пользователей;
- хрупкие и жесткие материалы интегрированной электронной системы, такие как микросхемы поверхностного монтажа и жесткие соединения, могли повредить роговицу или веко;
- была потребность в громоздком и дорогостоящем оборудовании для измерения сигнала, что ограничивало использование интеллектуальных контактных линз вне исследовательских лабораторий или клинических помещений из-за ограничения внешней деятельности пользователей.
Для решения всех этих проблем учёными были найдены нетрадиционные подходы для изготовления мягких, интеллектуальных контактных линз, в которых все электронные компоненты спроектированы с учетом удобства использования. Например, обзор пользователя теперь не будет затруднен, поскольку контактные линзы изготовлены из прозрачных наноматериалов. Кроме того, контактные линзы обеспечивают превосходную надежность, поскольку они могут подвергаться механическим деформациям, необходимым для их установки в мягкий объектив без повреждения.
Плоские, сетчатые структуры компонентов устройства и их соединений обеспечивают высокую растяжимость изогнутой мягкой линзы без прогибов. Кроме того, пиксели дисплея, встроенные в интеллектуальные контактные линзы, обеспечивают доступ к данным в режиме реального времени, что устраняет необходимость в дополнительном измерительном оборудовании.
Для разработки мягких контактных линз были созданы мягкие контактные линзы с высокопрозрачной и регулируемой под нагрузкой гибридной структурой, состоящей из механически усиленных островков для размещения дискретных электронных устройств (таких как выпрямительные цепи и пиксели дисплея) и упругих соединений для размещения растяжимой, прозрачной антенны и соединительных электродов. Усиленные рамы с небольшими сегментами изготовлены из фотографируемого полимера, а эластичные части - из силиконового эластомера - традиционного материала для мягких контактных линз.
Эта контактная линза на основе гибридной подложки, в которую армированные острова были встроены в упругий слой, может эффективно распределить механическую деформацию и защитить обычную электронику от механических деформаций мягкой линзы. Хотя ранее сообщалось о концепции использования гибридных подложек для растягиваемой электроники, использование гибридных подложек может значительно ухудшить оптические свойства получаемых пленок, что приводит к низкой прозрачности и высокой степени затуманенности из-за различий в показателях преломления (n) неоднородных материалов.
Очевидно, что контактные линзы не должны мешать зрению пользователя, должны иметь высокую прозрачность и низкую дымку для оптической чистоты. Предложенный в качестве основного материала гибридный субстрат состоит из разнородных материалов с незначительными отклонениями показателей преломления армированных частей и эластомера (Dn = ~ 0,003). Такой подход к индексированию дает пользователю четкую картину, т.е. отличную прозрачность (93% в режиме видимого света) и низкую дымность (1,6% в режиме видимого света).
Кроме того, была увеличена эластичная часть (обычный мягкий материал контактных линз) (более 96,7%) в общей площади контактных линз для обеспечения высокой кислородной проницаемости (Dk = 340,0 U).
Что касается натяжных и прозрачных электродов для антенн и соединений, то электроды для этих пассивных компонентов занимают относительно большие площади конечной ИС, поэтому они должны иметь высокую прозрачность и растяжимость, чтобы иметь форму мягкой линзы.
Таким образом, одномерные (1D), ультратонкие нановолоконные металлы (mNFs) были непосредственно электроспуннированы как непрерывные сети для создания прозрачных и растяжимых электродов.
Транспортировка заряда происходит по этим 1D металлическим путям, а их сверхдлина способствует снижению сопротивления листа (Rs) за счет сведения к минимуму количества стыков между металлическими волокнами. Кроме того, они обладают выдающейся растяжимостью (~30% растягивающей деформации), поэтому могут использоваться в качестве электродов для соединений в мягких, "умных" контактных линзах.
Для беспроводных пикселей дисплея с целью визуализации уровня биомаркеров в реальном времени, после того как графеновая аппаратура наблюдения обнаруживает их концентрацию в слезах, например глюкозы, прозрачная и растяжимая антенна с выпрямителем управляет пикселями светодиода (LED) для беспроводного отображения чувствительной информации в реальном времени. Например, в этой беспроводной системе слезоточивые жидкости с концентрацией глюкозы выше порога отключают светодиодный пиксель.
Кроме того, беспроводная работа этой интеллектуальной контактной линзы позволяет поддерживать стабильную температуру глаз без резкого нагрева, обеспечивая безопасность глаз пользователя. Испытания с участием живого кролика продемонстрировали её надежную работу без заметных побочных эффектов.
Таким образом, эта мягкая, интеллектуальная контактная линза сможет в ближайшем будущем обеспечить платформу для беспроводного, непрерывного и неинвазивного мониторинга физиологического состояния организма человека, а также обнаружения биомаркеров, связанных с различными заболеваниями.