智能生物傳感器在眼科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展△

樊倩 王雁 段學(xué)欣 薛茜男 游睿 楊文拓 楊洋

智能生物傳感器是指利用柔性電子技術(shù)將有機、無機或有機無機復(fù)合(雜化)材料沉積于柔性基底上形成以電路為代表的(光電子)電子元器件及其集成系統(tǒng)實現(xiàn)人體多種信號采集、數(shù)據(jù)生成與分析的一門新興科學(xué)技術(shù)[1]。智能生物傳感器具有可變形、便攜式、質(zhì)量輕、可穿戴、可植入、實時監(jiān)測等特性，在航空航天、國防軍工、公共安全、健康醫(yī)療等多個領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。近年來智能生物傳感器應(yīng)用廣泛，由英國劍橋IDTechEx預(yù)測，到2028年，全球智能生物傳感器相關(guān)產(chǎn)業(yè)將為數(shù)千億美元，并且處于長期高速增長態(tài)勢。目前，針對眼科領(lǐng)域的智能生物傳感器產(chǎn)品的研發(fā)雖剛剛起步，但初見端倪。因此，本文將智能生物傳感器在眼科疾病監(jiān)測、診斷及治療之中的研究進展現(xiàn)狀綜述如下。

1 智能電子生物傳感器的材料選擇

為了滿足智能生物傳感器的器件要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕、生物相容性與安全性高等性質(zhì)成為了智能生物傳感器柔性基底的關(guān)鍵指標。常見的柔性材料有：聚乙烯醇、聚酯、聚酰亞胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、紙片、紡織材料等。聚酰亞胺材料具有耐高溫、耐低溫、耐化性與良好電氣等優(yōu)點，是柔性電子最具潛力的材料；聚二甲基硅氧烷也是被廣泛認可的柔性材料，其優(yōu)勢包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好等，尤其在紫外光下黏附區(qū)和非黏附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易地黏附電子材料；聚酯雖然轉(zhuǎn)化溫度低，為70～80 ℃，但是優(yōu)勢在于價格低廉，光穿透性好，是透明導(dǎo)電膜性價比很高的材料。微型化的電子微芯片合理集成至功能性和柔性的基底結(jié)構(gòu)中，并結(jié)合不同種類金屬材料、有機材料、無機半導(dǎo)體材料、碳材料(石墨烯等)等制作不同作用的智能生物傳感器。

2 智能生物傳感器在眼科的應(yīng)用類型

智能傳感器是指具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器能將檢測到的各種物理量儲存起來，并按照指令處理這些數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造出新數(shù)據(jù)。傳感器之間可以進行信息交流，完成分析和統(tǒng)計計算等。

2.1 條帶式傳感器近十幾年來，智能生物傳感器設(shè)備在眼科的研究集中在眼表淚液成分的感應(yīng)研究分析，最早期的基于淚液分析的可穿戴設(shè)備被開發(fā)出來是在柔韌或可伸縮長條帶狀上傳感器，通過電化學(xué)方式感應(yīng)淚液成分，其中包括Kudo等[2]制造了一種基于柔性聚二甲基硅氧烷的通過搭載葡萄糖氧化酶的電化學(xué)傳感器，通過電化學(xué)法測定淚液葡萄糖濃度，以及Kagie等[3]結(jié)合薄膜印刷技術(shù)進一步改良條帶狀電化學(xué)傳感器，開發(fā)出低成本、高保真度的眼表傳感器。雖然條帶式傳感器已可以做到淚液中葡萄糖水平的監(jiān)測以及用于監(jiān)測干燥性角膜結(jié)膜炎中淚液氧氣水平，但是缺少傳感器的集成以及數(shù)據(jù)處理功能。同時條形傳感器很難保持在原位，硬塑料基材通常會刺激角結(jié)膜和隨后的形成反射性淚液分泌，從而降低了其作為可穿戴設(shè)備的測量準確性和佩戴舒適性，繼而臨床可用性大大降低。

2.2 角膜接觸鏡式傳感器角膜接觸鏡可直接接觸眼表且材料相對成熟，因此將傳感器打印在可穿戴智能隱形眼鏡系統(tǒng)的設(shè)計提供了一個非常強大而具吸引力的平臺，對佩戴者來說舒適性高，較小影響淚液分泌，透氧性佳，眼表穩(wěn)定性及生物安全性更好，以及可提供準確而持續(xù)的感應(yīng)監(jiān)控與數(shù)據(jù)集成。智能角膜接觸鏡包含超薄而靈活的電路和微控制器芯片，目前厚度最薄約為0.2 mm，兩種感應(yīng)模式的智能角膜接觸鏡已經(jīng)被成功研發(fā)出來，包括光學(xué)與電化學(xué)感應(yīng)[4]。一方面，最早的光學(xué)傳感器測量通過熒光檢測與葡萄糖競爭性結(jié)合分子的淚液含量來反映淚液葡萄糖濃度，如刀豆球蛋白A或苯硼酸衍生物[5]，新近研究使用嵌入含硼酸或氟納米顆粒熒光的隱形眼鏡，通過測量熒光強度和共振能量轉(zhuǎn)移來反映淚液葡萄糖濃度，同時膠體晶體陣列模式設(shè)計的智能隱形眼鏡能夠選擇性地檢測到可見的顏色變化來反映眼表葡萄糖濃度的變化[5]。另一方面，電化學(xué)感應(yīng)模式是智能隱形眼鏡設(shè)計的里程碑式進展。Yao等[6]與Kim等[7]率先采用基于葡萄糖氧化酶的電流型葡萄糖傳感器，設(shè)計出內(nèi)置無線式閱讀芯片的智能隱形眼鏡。Kajisa等[8]開發(fā)出高靈敏的水凝膠場效應(yīng)晶體管葡萄糖傳感器適用于淚液檢測，傳感器可以明顯抑制非特異性信號及噪聲干擾。

2.3 彈簧式傳感器2018年由荷蘭NovioSense公司推出一種由保護性多糖水凝膠材料包被的小型彈簧式電化學(xué)傳感器，可置于下瞼結(jié)膜穹窿內(nèi)，彈簧形電極被包裹在含有固定化酶的生物聚合物中，當暴露于葡萄糖時，這種固定化酶開始化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致過氧化氫的氧化，通過計時安培法測量電極可以檢測到過氧化氫含量，繼而實現(xiàn)人體無創(chuàng)淚液葡萄糖含量測定及無線數(shù)據(jù)傳輸[9]。

2.4 基于眼鏡架構(gòu)的生物傳感器基于眼鏡的智能生物傳感器系統(tǒng)包含4個主要部分：收集眼淚的流體裝置，電化學(xué)流量檢測器，無線電子元件部分和眼鏡支撐系統(tǒng)。Sempionatto等[10]集成微流控電化學(xué)檢測器件放入基于眼鏡架構(gòu)的內(nèi)眥部鼻橋墊設(shè)計的貼片之中，引流收集淚液后對其中多種生物標志物進行無創(chuàng)監(jiān)測，如淚液中乙醇、維生素和葡萄糖含量等。與其他淚液監(jiān)測平臺不同，本系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)直接無創(chuàng)采集并可以實時測量淚液成分，而且避免直接接觸眼表及眼內(nèi)組織，即減少眼部感染及視力損害的可能。

3 智能生物傳感器感應(yīng)設(shè)備在眼科診療中的應(yīng)用

3.1 眼表相關(guān)疾病診斷與監(jiān)測2018年，Veli等[11]利用表面功能化的聚苯乙烯微粒標記的隱形眼鏡來捕捉金黃色葡萄球菌，使用無透鏡芯片顯微鏡拍攝全息圖對每個鏡片的曲面進行三維成像。通過旋轉(zhuǎn)場變換和全息數(shù)字聚焦計算重構(gòu)出隱形眼鏡的三維表面后，采用機器學(xué)習(xí)算法自動計數(shù)透鏡表面上的微粒數(shù)，從而量化捕獲細菌的數(shù)量。這種計算傳感平臺的檢測最小極限為每微升16個細菌。這種基于隱形眼鏡的可穿戴智能生物傳感器未來可廣泛應(yīng)用于檢測淚液中的各種細菌，在眼表細菌性感染性疾病中有潛在應(yīng)用價值。在病毒性結(jié)膜炎患者的淚液之中，炎性蛋白水平會相應(yīng)增高，Mak等[12]研發(fā)出一種具備雙向功能混合表面，用于調(diào)節(jié)和檢測病原體吸附，采用一種簡單的逐層表面工程技術(shù)構(gòu)建了治療性隱形眼鏡，其具有良好的表面潤濕性、光學(xué)透明性和對人角膜上皮細胞無毒性，用于結(jié)合和濃縮炎癥細胞因子，如可檢測單純皰疹病毒-1 活化過程中上調(diào)的白細胞介素-1α水平，用于淚液感染的敏感性及無創(chuàng)性診斷。這種治療性隱形眼鏡還加入了抗病毒涂層，可作為眼表第一道防線，保護患者免受病毒侵襲。另外，針對干眼癥設(shè)計開發(fā)的生物傳感器檢測淚液生物標志物的相關(guān)研究近年來進展迅速。2017年，Santamaría等[13]報道一種基于薄層硝酸纖維素作為傳感表面的新型壓縮型光學(xué)生物芯片，對干眼癥相關(guān)蛋白基質(zhì)金屬蛋白酶-9進行原位檢測，將特異性抗體固定在不同干涉?zhèn)鞲衅鞑季值募呻娐分?，基質(zhì)金屬蛋白酶-9的檢出低限為25 μg·L-1，為原位篩選慢性干眼癥的淚液生物標志物提供了參考。2018年Culver等[14]報道在局部表面等離子體共振生物傳感器中使用金納米殼水涂層凝膠來檢測淚液生物標記物，N-異丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸(PNM)納米水凝膠可以作為蛋白質(zhì)受體，通過利用帶負電的PNM納米水凝膠和帶正電荷的蛋白質(zhì)之間產(chǎn)生靜電吸引，PNM納米水凝膠在與蛋白質(zhì)結(jié)合時出現(xiàn)折射率增加。這種復(fù)合材料用于檢測干眼癥淚液中溶菌酶和乳鐵蛋白濃度的變化，可作為干眼癥的潛在經(jīng)濟篩查工具。

3.2 青光眼的篩查、診斷與監(jiān)測青光眼目前作為全球第2位不可逆性致盲性眼病，患者眼壓的控制與監(jiān)測隨訪是臨床診療的重點和難點，及時監(jiān)測眼壓變化對早期診斷和干預(yù)治療極為重要。眼壓測量的傳感器技術(shù)主要包括壓力傳感器、壓阻傳感器、電容傳感器和電阻傳感器?！癟riggerfish”是率先由瑞士 Sensimed 公司制造推出，隨后在多個國家上市應(yīng)用的用于眼壓監(jiān)測的一次性軟性智能眼鏡，直徑約 14 mm，厚度僅為 100～200 μm，通過在角膜接觸鏡鏡片中嵌入微電子電路及壓阻傳感器來測量眼壓及檢測眼角膜周邊的細微變化，記錄一段時間內(nèi)(通常是24 h)患者因角膜壓力與眼壓變化時的眼球曲度變化情況，并將鏡片扭曲的電阻變化讀數(shù)信息透過無線技術(shù)輸出，借此實現(xiàn)眼壓監(jiān)測、能耗管理以及數(shù)據(jù)傳送，從而使得青光眼患者的個性化診療成為可能，這種眼壓測量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到眼壓晝夜節(jié)律監(jiān)測、正常眼壓性青光眼、甲狀腺功能相關(guān)眼病、粘小管成形術(shù)術(shù)后效果評估以及降眼壓藥物治療效果評價等多種用途，并且能夠提供可靠的眼壓數(shù)據(jù)[15]。2020年，Choritz等[16]在招募的22例原發(fā)性開角型青光眼合并白內(nèi)障的患者中行眼內(nèi)白內(nèi)障超聲乳化吸除術(shù)同時經(jīng)由角鞏膜隧道植入第二代EYEMATE-IO環(huán)形傳感器，其集成了壓力和溫度傳感器，將專用集成電路與金屬微線圈相連密封在一個醫(yī)用級硅橡膠材料的滅菌環(huán)中，其在距離環(huán)體外圈0.5 mm處明顯變薄，圓形邊緣逐漸變細到0.1 mm厚度，可收集感應(yīng)數(shù)據(jù)模擬到數(shù)字編碼器和遙測裝置，還可防止在植入睫狀溝后發(fā)生偏移。相比于第一代產(chǎn)品厚度為0.9 mm，且邊緣銳利，第二代傳感器植入睫狀溝后眼部并發(fā)癥大大減少，從而實現(xiàn)了安全、動態(tài)和長期的眼壓直接測量，臨床試驗患者佩戴的環(huán)形傳感器在連續(xù)隨訪12個月后被安全取出。這一里程碑式的研究為眼內(nèi)應(yīng)用智能生物傳感器提供了長期穩(wěn)定性、安全性的例證，連續(xù)和準確的測量眼壓使得未來個體化青光眼治療更加有依據(jù)和保障。

3.3 屈光系統(tǒng)疾病相關(guān)2019年，Jarosz等[17]創(chuàng)新性采用一種新穎的變焦技術(shù)，研發(fā)出一款用于自適應(yīng)矯正老花眼的智能眼鏡，它依靠一個充滿液體的可變焦距透鏡(內(nèi)含2種液體和1種超薄薄膜，壓縮納米薄膜夾在兩種不同的壓裂液之間)，輔以低功率、大容量微流控驅(qū)動器，通過距離感應(yīng)以提供自動對焦。在20 mm寬的可變區(qū)內(nèi)實現(xiàn)了所需的屈光度變化，初步的光學(xué)質(zhì)量分析表明其空間分辨率遠優(yōu)于常規(guī)分辨率。這種老視矯正器是一種自適應(yīng)的雙色差矯正器，它嵌入模型眼球內(nèi)，提供靜態(tài)屈光矯正，為未來老花眼的智能矯正提供了技術(shù)參考。王文驥等[18]發(fā)明了一種可長期監(jiān)測人體生理參數(shù)的智能人工晶體，采用石墨烯天線陣列依次與濾波器、整流器、穩(wěn)壓器及超級電容器連接，超級電容器分別通過葡萄糖傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器與數(shù)據(jù)存儲器的I/O端口連接，數(shù)據(jù)傳輸時將石墨烯天線陣列與智能手機客戶端軟件進行無線連接，將智能手機客戶端軟件安裝在智能手機中來讀取眼內(nèi)參數(shù)，具備可折疊及長期、連續(xù)、準確地監(jiān)測眼壓等生理參數(shù)的功能。其優(yōu)勢主要集中在四個方面：一是產(chǎn)品的生物相容性良好，植入眼內(nèi)后每次的生理參數(shù)的讀取均為非侵入式，植入位置最淺，盡可能降低了人體組織的吸收作用對無線能量傳輸效率的影響，可以實現(xiàn)24 h連續(xù)監(jiān)測并反饋血糖、眼壓等重要生理參數(shù)。二是無線供電系統(tǒng)避免了額外電池置換手術(shù)帶來的感染風(fēng)險。三是晶體使用石墨烯天線陣列使智能人工晶體具備足夠柔性，可小切口植入，減輕術(shù)后的不良反應(yīng)。四是晶體采用的丙烯酸酯外殼能降低后發(fā)性白內(nèi)障及眼內(nèi)炎的發(fā)生率，目前已申請專利，仍處于實驗室研發(fā)階段。瑞士SAV-IOL(Swiss Advanced Vision)公司正在推進R-TASC項目的開發(fā)，這是首款具備實時自動對焦的電子人工晶狀體，通過反饋環(huán)機制對視光學(xué)曲度進行控制，從而調(diào)節(jié)晶體倍率，術(shù)后通過一款A(yù)pp控制系統(tǒng)，隨時調(diào)校晶體的屈光度旨在完全恢復(fù)白內(nèi)障手術(shù)后的視力。

3.4 視網(wǎng)膜相關(guān)疾病的診斷與監(jiān)測糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)是困擾全球人群的主要致盲性眼底疾病，嚴格的血糖監(jiān)測與控制是主要的臨床治療手段。常規(guī)的頻繁指尖采血試驗引起諸多疼痛和不便，所以無創(chuàng)檢測眼表淚液中葡萄糖含量，是智能生物傳感器在眼科中研究最為廣泛的領(lǐng)域，設(shè)計的智能隱形眼鏡類型層出不窮。2014年，谷歌與諾華公司[19]聯(lián)合研發(fā)出一款集成微型無線電化學(xué)感應(yīng)元件和水凝膠鏡片基質(zhì)的來智能監(jiān)測淚液葡萄糖的角膜接觸鏡，監(jiān)測的范圍可達到0～360 mg·L-1。2018年，Park等[20]研發(fā)出0～1800 mg·L-1大范圍檢測淚液葡萄糖的智能角膜接觸鏡，將傳感器、無線功率傳輸電路和實時顯示傳感信號通過整合入透明和可拉伸的納米材料中，鏡片透明度高，使用光刻技術(shù)更有利于大規(guī)模量產(chǎn)，未來應(yīng)用潛力巨大。2020年，Keum等[21]研發(fā)出包括實時電化學(xué)生物傳感器、柔性藥物傳遞系統(tǒng)、共振感應(yīng)無線能量傳輸系統(tǒng)，基于帶電源管理單元的微控制器芯片及遠程通信系統(tǒng)五個部分的智能角膜接觸鏡，可實現(xiàn)電子控制藥物傳遞與實時淚液生物特征分析相結(jié)合，在糖尿病兔動物模型中，成功測量其淚液葡萄糖并觸發(fā)藥物傳遞系統(tǒng)運送降糖藥物，監(jiān)測的濃度范圍可達到0～500 mg·L-1，這些都為無創(chuàng)、持續(xù)性糖尿病診斷及DR治療提供了良好的未來前景。與此同時，在難治性致盲性視網(wǎng)膜退行性疾病(如視網(wǎng)膜色素變性、老年性黃斑變性等)相關(guān)的人工視網(wǎng)膜替代治療研究方面，生物電子視網(wǎng)膜植入物作為可穿戴人工視網(wǎng)膜假體，可選擇性地刺激視網(wǎng)膜內(nèi)部的特定細胞，改善視覺分辨率和色覺。目前已有三種監(jiān)管機構(gòu)批準的視網(wǎng)膜假體，在過去的15年里全球超過500名患者被相繼植入應(yīng)用[22]。Luo等[23]回顧Argus?II視網(wǎng)膜修復(fù)系統(tǒng)作為第一個在歐洲和美國獲得監(jiān)管機構(gòu)批準臨床使用的人工視覺系統(tǒng)，通過在眼周經(jīng)由手術(shù)固定高密度植入式封裝和柔性微電極陣列以及眼內(nèi)植入高性能的視網(wǎng)膜電極涂層材料來實現(xiàn)物體明暗識別與運動軌跡感知。盡管如何通過圖像處理來提高視力，擴大視野，并將復(fù)雜的視覺場景簡化為最顯著的部分等是未來需要解決的方向，但是智能生物傳感器的應(yīng)用為罹患視網(wǎng)膜退行性疾病的低視力人群提供了視力改善的機會。

4 總結(jié)和展望

結(jié)合柔性電子技術(shù)的智能生物傳感器在眼表感染性疾病、干眼癥、青光眼、DR、老視矯正及視網(wǎng)膜退行性疾病治療等方面的研究逐步快速擴展，雖然目前由于技術(shù)的限制，能夠應(yīng)用于眼科臨床的智能生物傳感器的生物相容性、選擇性、穩(wěn)定性、可靠性和壽命仍然面臨著調(diào)整和挑戰(zhàn)。一些智能生物傳感器仍然處于在臨床前研究與實驗室階段，需要多中心臨床試驗研究逐漸開展，但其在眼科的應(yīng)用已顯示其特有的臨床應(yīng)用價值及良好前景。