Recente ontwikkelingen op het gebied van slimme contactlenzen kunnen biomedische ingenieurs helpen bij het realiseren van medische toepassingen en visuele beeldvorming voor augmented reality met draadloze communicatiesystemen. Eerder onderzoek naar slimme contactlenzen werd aangedreven door een draadloos systeem of draadloze krachtoverdracht met tijdelijke en ruimtelijke beperkingen. Dergelijke stroombronnen kunnen hun continu gebruik beperken en vereisen energieopslagapparaten. de stijfheid, warmte en een groot batterijformaat zijn ook minder geschikt voor zachte, slimme contactlenzen. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Jihun Park en een onderzoeksteam van de afdelingen Materials Science and Engineering, Centrum voor Nanogeneeskunde en Afdeling Engineering in Korea, beschreef een proefproef bij mensen voor slimme contactlenzen. Ze ontwierpen de lenzen met een draadloos oplaadbare, solid-state supercondensator voor continu gebruik. Het onderzoeksteam heeft de supercondensator geprint en alle apparaatcomponenten geïntegreerd, inclusief de antenne, gelijkrichter en lichtgevende diode die rekbare structuren gebruiken om de zachte lens te vormen zonder het zicht te belemmeren. Het apparaat was betrouwbaar tegen thermische en elektromagnetische straling, met veelbelovende testresultaten in vivo en een substantiële belofte voor slimme contactlenzen in de toekomst.

Vooruitgang in draagbare elektronica heeft biomedische onderzoekers in staat gesteld om fysieke tekenen en metabolieten in menselijke lichaamsvloeistoffen te volgen. Slimme contactlenzen kunnen uitgebreid worden bestudeerd als een nieuw platform om continu vitale functies in de ogen en in tranen te monitoren om biomarkers geassocieerd met ziekte te onderzoeken. De lenzen kunnen ook uitgebreide toepassingen bieden op andere gebieden, zoals slimme apparaten voor medicijnafgifte en augmented reality. De zachtheid van slimme contactlenzen is essentieel voor het comfort van de gebruiker gedurende lange perioden tijdens intermitterend draadloos gebruik. de stijfheid, warmteontwikkeling en batterijgrootte hadden eerdere lenzen minder geschikt gemaakt om te functioneren zoals vereist. Om bestaande limieten aan te pakken, Park et al. introduceerde een nieuwe benadering om een ​​zachte, slimme contactlens met een draadloos oplaadbare solid-state supercondensator voor continue werking van het elektronische apparaat.

Eerst, ze vormden een op actieve kool gebaseerde, vaste toestand, elektrische dubbellaagse supercondensator met behulp van een zeer nauwkeurige, Microscale Direct Ink Writing (DIW)-proces om de slimme contactlens te maken. Supercondensatoren hebben doorgaans een lange levensduur en een hoge vermogensdichtheid voor consistent draadloos opladen en ontladen van ingesleten elektronische apparaten in slimme contactlenzen. De supercondensator in dit werk diende ook als fysieke ondersteuning tijdens 3-D laag-voor-laag integratie met bijbehorende elektronische circuits en antenne om het draadloze oplaadsysteem te vormen. Dit was een uitdagende stap vanwege het beperkte oppervlak van de slimme contactlens.

Park et al. combineerde het draadloze oplaadsysteem met de solid-state supercondensator om continue en repetitieve werking van de slimme contactlens zonder een externe elektrische poort te vergemakkelijken. Om rekbare geometrieën voor de antenne te construeren, de onderzoekers gebruikten hybride nanostructuren van ultrasterke zilveren nanovezels (AgNF's) en fijne zilveren nanodraden (AgNW's). Aanvullend, ze gebruikten een rekbaar hybride substraat bestaande uit stevig versterkte eilanden en een zachte matrix om het uithoudingsvermogen van de brosse componenten van de contactlens tegen mechanische vervorming te verbeteren. Het systeem vertoonde een uitstekend uithoudingsvermogen na 300 cycli met een biaxiale trekbelasting van 30 procent. De slimme contactlens behield een hoge zachtheid en comfort zonder het zicht van de drager te verduisteren, terwijl elektrische apparaten worden beschermd tegen scheuren over een tijdlijn van zeven dagen. Het draadloze oplaadsysteem vermeed abrupte verwarming om de veiligheid van de drager te beschermen. Een pilotproef bij mensen en in vivo translationele studies bij levende konijnen bevestigden verder de biocompatibiliteit van de lens.

Park et al. combineerde de draadloos oplaadbare solid-state supercondensator met het gelijkrichtercircuit, antenne en light-emitting diode (LED) binnen de lay-out van de zachte, slimme contactlens. Ze omvatten een draadloze stroomoverdracht (WPT) -eenheid in de bovenste laag van de slimme contactlens en de onderste laag bevatte de solid-state supercondensator om herhaaldelijk elektrische stroom op te slaan en te gebruiken. Het onderzoeksteam integreerde de LED als indicator om draadloze werking van de slimme contactlens te detecteren. De boogvormige vormfactor zorgde voor maximale energiedichtheid binnen de beperkte gebieden van de contactlens, waardoor vervormbaarheid mogelijk is wanneer deze wordt uitgerekt. Om interferentie met het gezichtsveld van de drager te voorkomen, het team ontwierp de slimme contactlens om alle componenten buiten de pupil van de drager te bevatten. Ze bevatten ook een elektrodeconfiguratie in het vlak om abrupt falen van de interne kortsluiting te minimaliseren. Park et al. observeerde de resulterende elektroden en vastestofelektrolyt bereid met behulp van het DIW-proces (direct ink writing) met scanning-elektronenmicroscoop (SEM) -afbeeldingen.

Het onderzoeksteam drukte de boogvormige, monolithisch geïntegreerde solid-state supercapacitor (MIS-supercapacitor) rechtstreeks om de slimme contactlens te vormen, terwijl een op paryleen gebaseerde pakkinglaag wordt geïntroduceerd om lekkage van het samenstellende materiaal in de ogen te voorkomen. De supercondensator toonde redelijke fietsprestaties in combinatie met het draadloze oplaadsysteem voor langdurig gebruik. De studie vormde een eerste rapport over een in een stroombron geïntegreerde slimme contactlens met duurzame elektrochemische prestaties.

Park et al. ontwierp vervolgens het WPT-circuit (Wireless Power Transfer) om de supercondensator op te laden. Het onderliggende WPT-circuit vertoonde een goede mechanische rekbaarheid en chemische stabiliteit om een ​​verscheidenheid aan stimulaties te doorstaan. Het circuit had een verwaarloosbare verslechtering van de elektrische prestaties, zelfs tijdens de uitgerekte toestand - geschikt voor flexibele en zachte contactlenzen. Het onderzoeksteam karakteriseerde de supercondensator en het WPT-systeem met behulp van draadloos opladen/galvanostatische ontladingsprocessen en laadde de supercondensator volledig op met behulp van draadloze oplaadcondities binnen een relatief korte tijd (240 seconden). Het draadloze systeem leverde betrouwbare prestaties over meerdere cycli voor slimme contactlenzen - geschikt voor langdurig gebruik.

Het voltooide zachte contactlenssysteem bevatte daarbij een draadloos oplaadbare supercondensator, antenne, gelijkrichterschakeling en LED verenigd in rekbare vorm. Na assimilatie van de lagen, de wetenschappers hebben de elektronische componenten ingekapseld in een siliconenelastomeer als een in de handel verkrijgbaar zacht contactlensmateriaal dat in de vorm van een contactlens is gegoten. Bij draadloos rijden de ingebouwde LED gaf de status van draadloos opladen en ontladen aan. Het onderzoeksteam testte het apparaat eerst op het oog van een paspop en bewaakte de warmteontwikkeling tijdens draadloze bediening van de lens met behulp van een infrarood (IR) camera. De resultaten wezen op de betrouwbaarheid van de slimme contactlens tegen thermische of elektromagnetische straling. Tijdens in vivo translationele tests, de onderzoekers faciliteerden de contactlens op het oog van een levend konijn voor een betrouwbare werking zonder merkbare bijwerkingen of abrupte warmteontwikkeling. Tijdens daaropvolgende proefproeven met mensen op een menselijk oog, Park et al. alle functies getest, inclusief het draadloos opladen/ontladen van de supercondensator en LED. De resultaten waren haalbaar met draadloze functionaliteiten zoals verwacht en zonder bijwerkingen.

Op deze manier, Jihun Park en collega's ontwierpen een zachte, slimme contactlens om een ​​supercondensator draadloos op te laden voor continu gebruik. Ze hebben de elektronische componenten ingebouwd, waaronder een rekbare antenne, gelijkrichter circuits, LED's en een supercondensator om de zachte, slimme contactlens zonder het zicht van de drager op het gebruik te belemmeren. Ze voerden veel stabiliteitstests uit voor langdurig gebruik van de zachte, slimme contactlens. De pilootstudies bij mensen en translationele studies met levende konijnen bevestigden een goede biocompatibiliteit. Het onderzoeksteam verwacht het platform te gebruiken als een geminiaturiseerde, draagbaar elektronisch apparaat met continue functie.

© 2019 Wetenschap X Netwerk