近日，中國科大工程科學(xué)學(xué)院龔興龍/王勝團(tuán)隊，聯(lián)合生命科學(xué)學(xué)院薛天/馬玉乾團(tuán)隊、復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡團(tuán)隊，以及國際科研機(jī)構(gòu)等，通過對柔性高分子材料的力-光學(xué)耦合性能合理設(shè)計，開發(fā)出了新型可穿戴隱形眼鏡，實現(xiàn)人類近紅外時空色彩圖像視覺。該研究成果于2025年5月22日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Cell上，被Cell press進(jìn)行News release專題報道，同時也被中國新聞網(wǎng)、安徽日報和科學(xué)網(wǎng)等多家國內(nèi)媒體報道。
團(tuán)隊成員在做實驗
自然界中存在包括可見光在內(nèi)廣泛波長范圍的電磁波，然而能夠被人類眼睛所感知的可見光只占電磁波譜很小的一部分，人眼所見光譜范圍的局限是由視網(wǎng)膜感光細(xì)胞中的感光蛋白（Opsin）固有的物理化學(xué)特性所決定。感光波譜缺陷會帶來色盲等視覺疾病，同時為了看到紅外線，人類已研發(fā)出夜視儀等裝備。然而，相關(guān)設(shè)備笨重、價格昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能廣泛普及應(yīng)用。因此，如何開發(fā)新型柔性可穿戴紅外可視技術(shù)并進(jìn)行實際臨床實驗是調(diào)節(jié)人眼感光波譜范圍，甚至賦予人類近紅外視覺能力的巨大挑戰(zhàn)和前提。
由高分子聚合材料制備的柔性透明隱形眼鏡被廣泛應(yīng)用于視力矯正，這為我們實現(xiàn)人類近紅外視覺提供了一個可佩戴式的解決方案。然而，制備具有近紅外光轉(zhuǎn)換效應(yīng)的隱形眼鏡勢必要在現(xiàn)有眼鏡材料中引入上轉(zhuǎn)換材料。但是，無機(jī)納米顆粒在高分子聚合物中會導(dǎo)致其光學(xué)透明度顯著下降，使得難以獲得高顆粒含量和高透明度的近紅外上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses，UCLs）。因此，解決高效上轉(zhuǎn)換能力（高濃度上轉(zhuǎn)換納米顆粒摻雜）和良好光學(xué)性能（高透明度）是開發(fā)新型柔性透明隱形眼鏡的前提。
為此，工程科學(xué)學(xué)院龔興龍/王勝團(tuán)隊通過對現(xiàn)有多種高分子材料進(jìn)行物理/化學(xué)分析，篩選適用于人體可穿戴的軟材料，對上述材料進(jìn)行必要的化學(xué)改性并進(jìn)一步表征其剪切模量、拉伸強(qiáng)度和加-卸載穩(wěn)定性等力學(xué)性能，建立起了柔性材料力學(xué)-組份耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，合成出了具有不同光學(xué)性能的上轉(zhuǎn)換納米顆粒（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）并進(jìn)行表面剝離改性，實現(xiàn)了其表面親-疏水性能定向調(diào)控從而提高了其分散性。光學(xué)實驗結(jié)果表明開發(fā)出的上轉(zhuǎn)換顆粒和高分子材料具有極高的光折射率匹配性，因此合成出了高摻雜含量（7-9%）的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，其在大多數(shù)可見光波譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出90%以上的透明度。這比國際上已報道的0.04-2% UCNPs摻雜量具有顯著性能提升。此外，該團(tuán)隊也測試了這種近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡的親水性和生物相容性等，這些性能能夠達(dá)到現(xiàn)有商業(yè)隱形眼鏡的標(biāo)準(zhǔn)，因此符合人體穿戴。高轉(zhuǎn)換顆粒含量和良好的光轉(zhuǎn)換效率也為隱形眼鏡實現(xiàn)近紅外光-可見光轉(zhuǎn)換和人眼可視提供了可能性。因此這些工作生物臨床實驗及其后續(xù)工程應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡的力-光耦合性能及生物相容性表征結(jié)果
研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)佩戴UCLs的小鼠不僅獲得感知近紅外光的能力，還可以分辨不同時間頻率和不同方位的近紅外光信息。更重要的是，佩戴UCLs的人類志愿者不僅可以看到一定光強(qiáng)范圍的近紅外光，還可以準(zhǔn)確識別近紅外光的時間編碼信息。
最后，為了感知在自然環(huán)境中廣泛存在的多光譜紅外光，合作團(tuán)隊使用三色正交UCNPs（trichromatic UCNPs）取代了傳統(tǒng)的UCNPs，可以將三種不同光譜的近紅外光轉(zhuǎn)換成紅、綠、藍(lán)三基色的可見光，同時避免了發(fā)射光譜波段的干擾問題。通過佩戴三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），志愿者可以有效地識別三種波長的近紅外光，感知多種近紅外色彩。此外，通過色彩、時間、空間信息的結(jié)合，志愿者可以準(zhǔn)確識別出更豐富的近紅外光編碼的多維度信息。這表明具有抗干擾、正交和多光譜轉(zhuǎn)換特性的tUCLs可以有效地實現(xiàn)人類近紅外色彩圖像視覺。
上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡實現(xiàn)人類近紅外時空色彩視覺
