高大上系列L之十五：石墨烯隱形眼鏡

來自專欄弄懂石墨烯 其實並不難4 人贊了文章

2018-08-21

視網膜電圖（Electroretinogram, ERG）是臨床視覺電生理的一項基本檢查項目，可以根據視網膜對特定閃光刺激的生物電響應差異來反映視網膜功能的完整性，用於各種眼底疾病的早期診斷，如急性獲得性視網膜變性、糖尿病性視網膜病變和遺傳性眼底疾病等。角膜電極是臨床 ERG 測量中最常用的電極之一，但目前的角膜電極一般為硬鏡，不但容易損傷角膜，而且難以與眼表結構適配形成緊密穩定的界面，難以滿足高精度的光學刺激需求。

另外，構成電極的導體部分一般為不透明的金屬材質，限制了電極記錄位點在眼表的分布位置，無法對角膜表面電勢分布進行準確表徵。如果能夠使電極兼備光學透明度和柔軟性，那麼獲得高信噪比、高穩定的信號和全形膜電勢分布的測試等設想均有可能實現。北京大學的段小潔及其合作者開發了一種基於石墨烯的質輕、柔性、透明的角膜接觸電極。他們根據待測眼睛的角膜曲率設計了曲面石英模具，利用化學氣相沉積技術在曲面石英模具上生長了近球面形狀的高導電性、高透光性、高化學穩定性和生物相容性的二維晶體材料石墨烯作為導體層，然後在石墨烯表面生長形成完全敷形的超薄柔性高分子聚合物 Parylene-C 作為絕緣基底層，從而製備出與角膜高度共形的柔性透明角膜接觸式石墨烯電極（graphene contact lens electrodes，GRACEs）。

作者通過眼前節光學相干成像（AS-OCT）技術和淚液層熒光素鈉染色法對 GRACE 電極與角膜的界面進行表徵，發現相對於硬質接觸鏡電極，GRACE 電極與角膜可以形成更加適形緊密的界面，且在眨眼後還能保持穩定。他們將其應用在食蟹猴的全視野 ERG 和多焦 ERG 測量，驗證了其高信號強度、高質量的圖案化刺激響應性能。此外，除了單通道電極之外，為了進一步實現大範圍高通量 ERG 信號的記錄，他們還製備了多通道柔性透明石墨烯微電極陣列，並以兔子成功試驗了角膜表面空間分辨的 ERG 記錄，通過表徵視網膜電活動在眼球表面的空間分布特徵，首次觀察到 ERG 信號幅值在角膜中央最高，並向顳側和鼻側呈遞減的角膜表面電勢分布的異質現象。

選擇合適的電極對 ERG 測試至關重要，而該課題組基於石墨烯電極的優異性質，製備的基於石墨烯的角膜接觸鏡式電極實現了高信噪比、高穩定性的 ERG 測量，表現出比傳統電極更高效的測試能力，有望替代傳統電極應用於臨床診斷。另外，視網膜的局部損傷或病變可引起明顯的角膜表面電勢幅值空間分布變化，文中所展示的穩定角膜表面多位點 ERG 記錄有望對這種變化進行精準表徵。與角膜共形的透明柔性石墨烯電極陣列的製備為開發新型高效的功能性視網膜電生理成像技術提供了可能性，有利於發展單閃光刺激下視網膜病變的檢測方法，有望為更加準確地診斷相關的視網膜疾病提供可行的途徑。

Ref.: Nat. Communication, 9(1), |DOI: 10.1038/s41467-018-04781-w.

註：隱形眼鏡是通過三明治透視鏡印刷方法製成的，該產品非常安全，因為著色劑是放在鏡面內部的。

後記：

通過仿生技術讓我們的眼睛擁有夜視能力、健康監測能力，並直觀地增強現實聽起來有點過於科幻。但是隨著電子設備的微型化和生物相容性的提高，這些都是智能隱形眼鏡領域正在開發的真實應用。然而，由於這樣的設備很可能會通過無線電波進行通訊和通電，會讓眼睛暴露在電磁輻射之下。上述石墨烯塗層隱形眼鏡是由 Byung Hee Hong 的團隊在韓國首爾國立大學研發的，他表示：「隱形眼鏡的電磁屏蔽功能非常重要，因為電磁波是很多眼科疾病（包括白內障）的潛在原因。「 與此同時，佩戴隱形眼鏡還可導致各種疼痛病症，例如乾眼綜合征，保濕也成為一個難題。

石墨烯是透明和有延展性的物質，且具有獨特的電和磁性能，化學和生物惰性較高，因此 Hong 的團隊選擇把石墨烯塗在普通隱形眼鏡上，並做試驗來確定它是否可以保護眼睛：分別將有和沒有石墨烯塗層的隱形眼鏡放置在組成類似人眼的生蛋白樣品上，放在微波爐中，以 120 瓦下放置 50 秒（模擬 4G 和藍牙的波長），普通隱形眼鏡下的蛋被煮熟，而石墨烯眼鏡通過吸收和消散電磁能量最小化了眼球損傷。Hong 解釋道：「我們沒有想到，石墨烯隱形眼鏡下的蛋白竟然經受得住微波爐的強電磁輻射，原子厚層竟然可以產生如此巨大的差異。」團隊還用石墨烯透鏡包住一個小瓶子，檢測了失水量，為 30%。最後該團隊還把 LED 裝在了隱形眼鏡里。研究人員現在正在與隱形眼鏡公司洽談合作，並準備和志願者展開測試。Hong 表示：「我相信石墨烯隱形眼鏡會在一兩年內抵達市場。我們還計劃將電路與基於石墨烯的感測器和電極組成在一起，可以實時無線檢測或比色監測眼淚中的葡萄糖濃度，用於糖尿病診斷。「

Ref.: ACS Nano,2017,11(6): 5318–5324, | DOI:10.1021/acsnano.7b00370.

推薦閱讀：