摘要：严重的角膜功能障碍由角膜缺氧和微环境失衡引起，威胁着数亿人的眼部健康，会导致新生血管形成、角膜炎甚至视力丧失，在隐形眼镜佩戴者中尤为常见。然而，目前缺乏可穿戴且能持续监测角膜氧气和微环境状态的数字化工具。为此，研究人员提出了一种受折纸启发的透气智能隐形眼镜，用
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一、研究背景与目的
严重的角膜功能障碍由角膜缺氧和微环境失衡引起，威胁着数亿人的眼部健康，会导致新生血管形成、角膜炎甚至视力丧失，在隐形眼镜佩戴者中尤为常见。然而，目前缺乏可穿戴且能持续监测角膜氧气和微环境状态的数字化工具。为此，研究人员提出了一种受折纸启发的透气智能隐形眼镜，用于无线监测角膜缺氧和微环境。
这种超薄（55 微米）且灵活的传感设备，能够数字化、原位且精确地监测关键的眼部健康指标：溶解氧、湿度和温度，相关系数 R² 均大于 0.98。
通过进化的折纸结构和热成型设计与加工的柔性电路，能以最小的轮廓尺寸和残余应力高效贴合柔软的曲面。
硅酮 / 水凝胶混合层封装电子元件，实现了高氧渗透率（380.26 Barrers）、充足的含水量（超过 80%）以及出色的生物相容性和热安全性。
在比格犬眼睛上进行的体内动物实验表明，该隐形眼镜能够在受控条件下准确、无线地进行角膜监测。
二、BSCL 的设计与原理
研究人员开发的多传感设备集成了电化学溶解氧传感单元、电阻式湿度传感单元和电阻式温度传感单元，用于可穿戴和原位角膜缺氧及眼表微环境监测。该设备的制造过程包括五步丝网印刷、滴涂和电镀。这种标准化的全丝网印刷工艺有助于柔性传感设备的大规模生产。
为解决多参数监测在极小且柔软曲面上设计微型低功耗电路的挑战，设计了一种具有无线多传感能力的受折纸启发的电路。电路的功能框图显示，它是基于 NFC 集成电路芯片和柔性天线的高度集成设计。芯片包含 12 位模 / 数转换器、32 kB 内存、控制模块、电源管理模块和 NFC 接口。
为确保电路贴合曲面，从环形结构到环形切割结构进行了进化结构设计和制造，通过局部切除，实现了电路更好的曲面贴合性。同时，还进行了有限元分析来验证折纸结构电路的贴合性，模拟了角膜上柔性电路板的变形和应力分布，结果表明折纸结构设计显著降低了边缘应力，防止了断裂并增强了电路板对曲面的贴合性。
在封装方面，开发了一种用于制造柔性弯曲电子元件和精确封装的集成组装方法，采用热预弯和注塑成型工艺。并且，使用双层封装方案，在硅表面通过光聚合改性 2 微米水凝胶层，实现了出色的氧渗透率和充足的含水量，接触角为 28°，表明其具有极高的亲水性和润湿性，确保了佩戴时的舒适性和安全性。
三、实验验证与性能测试
在传感器设备的表征中，为测试溶解氧传感能力，将设备浸入三颈瓶中的人工泪液中，通过注入不同比例的氧气和氮气混合气体来改变人工泪液的溶解氧浓度，商业溶解氧探头也浸入人工泪液中测量实际溶解氧浓度，结果显示溶解氧传感单元的相对电流变化与溶解氧浓度呈线性关系，灵敏度为 0.224%/(mg・L⁻¹)，相关系数为 0.9838，表明其能有效检测溶解氧浓度变化。
同时，通过添加多种干扰溶液评估其抗干扰性能，测量结果显示该设备与商业溶解氧传感器具有良好的数据一致性，验证了其抗干扰能力。
在湿度和温度传感测试中，湿度传感单元表现出出色的检测灵敏度和线性度，温度传感单元的相对电阻变化与温度呈线性关系，灵敏度和相关系数都很高。
在体内动物佩戴实验中，比格犬佩戴 BSCL 后，通过支持 NFC 的智能手机收集眼部传感数据。在自然睁眼和闭眼状态下收集了角膜氧气、湿度和温度数据，闭眼状态下溶解氧浓度降低了 0.77 mg/L，湿度在佩戴 150 秒后稳定在 90.7%，温度在闭眼后升高并保持稳定。
通过人工改变眼表条件，如吹氧、添加人工泪液和冷热敷，进一步验证了传感器检测角膜显著变化的功能，结果表明 BSCL 中三个传感单元具有高灵敏度和宽检测范围，验证了其在角膜微小和显著波动中的监测能力。
此外，细胞毒性测试和活 / 死细胞荧光染色实验表明 BSCL 无毒且具有生物相容性，兔眼实验显示佩戴 BSCL 是安全可行的。
四、结论与未来展望
综上所述，本研究设计并制造了一种具有无线多参数传感能力的 BSCL 系统，用于监测角膜氧气和眼表微环境状态。
BSCL 重 0.365 克，直径、中心厚度和芯片位置厚度分别为 16.33、0.75 和 1.44 毫米。嵌入 BSCL 的柔性多传感设备重 3.5 毫克，横向尺寸 4.92 毫米，最大厚度 55 微米，能够监测包括泪液溶解氧浓度、眼表湿度和温度等生物信息。
受折纸启发的电路结构设计，以及热预弯和注塑成型组装工艺，确保了 BSCL 的精确可靠集成。电路的机械和热模拟证实了其作为眼镜的机械和热安全性。亲水性和细胞毒性测试进一步证明了 BSCL 的舒适性和生物安全性。在比格犬眼睛上的体内佩戴测试表明，从自然和人工诱导的眼表条件中成功获取了角膜氧气、湿度和温度数据，表明 BSCL 应用的可行性。
然而，由于使用商业芯片，基于现有设计和封装工艺，进一步降低 BSCL 的厚度具有挑战性。预计随着薄型基板裸片和定制芯片的采用，FPCB 的厚度和面积可以进一步减小，从而为 BSCL 提供更舒适的佩戴体验。
此外，将 BSCL 与其他传感器、执行器和药物输送系统集成，以及人工智能诊断平台，可以创建一个综合医疗保健系统，将监测、诊断和治疗相结合，从而推进眼部治疗和医疗保健。
一起来做做题吧
1、下列哪项不是角膜缺氧导致的常见并发症？
A. 角膜新生血管
B. 角膜炎
C. 白内障
D. 视力丧失
2、目前角膜氧气监测的主要挑战是？
A. 缺乏数字化可穿戴工具
B. 检测成本过高
C. 操作流程复杂
D. 以上都是
3、BSCL 的氧渗透率为多少？
A. 380.26 Barrers
B. 250.50 Barrers
C. 180.75 Barrers
D. 450.30 Barrers
4、折纸结构电路的主要优势是？
A. 降低边缘应力
B. 提高信号传输效率
C. 减小电路尺寸
D. 以上都是
5、BSCL 温度传感器的灵敏度为？
A. 0.224%/(mg·L⁻¹)
B. -0.031 log(Ω)/%RH
C. 5.777%/°C
D. 1.25%/°C
6、比格犬实验中，闭眼状态下 DO 浓度降低了多少？
A. 0.77 mg/L
B. 1.5 mg/L
C. 2.3 mg/L
D. 3.1 mg/L
7、BSCL 的重量和直径分别为？
A. 0.365 g，16.33 mm
B. 0.5 g，14 mm
C. 0.2 g，18 mm
D. 0.8 g，12 mm
8、未来 BSCL 优化的重点方向是？
A. 减薄厚度（采用定制芯片）
B. 集成 AI 诊断功能
C. 结合药物输送系统
D. 以上都是
参考文献：
J. Zhu, et al. Kirigami-Inspired Breathable Smart Contact Lens for Wireless Monitoring of Corneal Hypoxia and Microenvironment. Adv. Healthcare Mater. 2025, 2402148.
来源：知识泥土六二三
