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(jī)、無(wú)機(jī)或有機(jī)無(wú)機(jī)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(shí)現(xiàn)人體多種信號(hào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特性，在航空航天、國(guó)防軍工、公共安全、健康醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。近年來(lái)智能生物傳感器應(yīng)用廣泛，由英國(guó)劍橋IDTechEx預(yù)測(cè)，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(zhǎng)期高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。目前，針對(duì)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(jiàn)端倪。因此，本文將智能生物傳感器在眼科疾病監(jiān)測(cè)、診斷及治療之中的研究進(jìn)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(biāo)。常見(jiàn)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(diǎn)，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(rèn)可的柔性材料，其優(yōu)勢(shì)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(shì)在于價(jià)格低廉，光穿透性好，是透明導(dǎo)電膜性價(jià)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(jī)材料、無(wú)機(jī)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(jī)，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(jī)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(cè)到的各種物理量?jī)?chǔ)存起來(lái)，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(jìn)行信息交流，完成分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。

2.1 條帶式傳感器近十幾年來(lái)，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(lái)是在柔韌或可伸縮長(zhǎng)條帶狀上傳感器，通過(guò)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(guò)搭載葡萄糖氧化酶的電化學(xué)傳感器，通過(guò)電化學(xué)法測(cè)定淚液葡萄糖濃度，以及Kagie等[3]結(jié)合薄膜印刷技術(shù)進(jìn)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(cè)以及用于監(jiān)測(cè)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(shí)條形傳感器很難保持在原位，硬塑料基材通常會(huì)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(cè)量準(zhǔn)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(duì)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(jì)提供了一個(gè)非常強(qiáng)大而具吸引力的平臺(tái)，對(duì)佩戴者來(lái)說(shuō)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(zhǔn)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(lái)，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(cè)量通過(guò)熒光檢測(cè)與葡萄糖競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合分子的淚液含量來(lái)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(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度和共振能量轉(zhuǎn)移來(lái)反映淚液葡萄糖濃度，同時(shí)膠體晶體陣列模式設(shè)計(jì)的智能隱形眼鏡能夠選擇性地檢測(cè)到可見(jiàn)的顏色變化來(lái)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(jì)的里程碑式進(jìn)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(jì)出內(nèi)置無(wú)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(chǎng)效應(yīng)晶體管葡萄糖傳感器適用于淚液檢測(cè)，傳感器可以明顯抑制非特異性信號(hào)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(hù)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(dāng)暴露于葡萄糖時(shí)，這種固定化酶開始化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致過(guò)氧化氫的氧化，通過(guò)計(jì)時(shí)安培法測(cè)量電極可以檢測(cè)到過(guò)氧化氫含量，繼而實(shí)現(xiàn)人體無(wú)創(chuàng)淚液葡萄糖含量測(cè)定及無(wú)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(gè)主要部分：收集眼淚的流體裝置，電化學(xué)流量檢測(cè)器，無(wú)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(cè)器件放入基于眼鏡架構(gòu)的內(nèi)眥部鼻橋墊設(shè)計(jì)的貼片之中，引流收集淚液后對(duì)其中多種生物標(biāo)志物進(jìn)行無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)，如淚液中乙醇、維生素和葡萄糖含量等。與其他淚液監(jiān)測(cè)平臺(tái)不同，本系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)直接無(wú)創(chuàng)采集并可以實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)2018年，Veli等[11]利用表面功能化的聚苯乙烯微粒標(biāo)記的隱形眼鏡來(lái)捕捉金黃色葡萄球菌，使用無(wú)透鏡芯片顯微鏡拍攝全息圖對(duì)每個(gè)鏡片的曲面進(jìn)行三維成像。通過(guò)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)變換和全息數(shù)字聚焦計(jì)算重構(gòu)出隱形眼鏡的三維表面后，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)計(jì)數(shù)透鏡表面上的微粒數(shù)，從而量化捕獲細(xì)菌的數(shù)量。這種計(jì)算傳感平臺(tái)的檢測(cè)最小極限為每微升16個(gè)細(xì)菌。這種基于隱形眼鏡的可穿戴智能生物傳感器未來(lái)可廣泛應(yīng)用于檢測(cè)淚液中的各種細(xì)菌，在眼表細(xì)菌性感染性疾病中有潛在應(yīng)用價(jià)值。在病毒性結(jié)膜炎患者的淚液之中，炎性蛋白水平會(huì)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(cè)病原體吸附，采用一種簡(jiǎn)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(rùn)濕性、光學(xué)透明性和對(duì)人角膜上皮細(xì)胞無(wú)毒性，用于結(jié)合和濃縮炎癥細(xì)胞因子，如可檢測(cè)單純皰疹病毒-1 活化過(guò)程中上調(diào)的白細(xì)胞介素-1α水平，用于淚液感染的敏感性及無(wú)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(hù)患者免受病毒侵襲。另外，針對(duì)干眼癥設(shè)計(jì)開發(fā)的生物傳感器檢測(cè)淚液生物標(biāo)志物的相關(guān)研究近年來(lái)進(jìn)展迅速。2017年，Santamaría等[13]報(bào)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(duì)干眼癥相關(guān)蛋白基質(zhì)金屬蛋白酶-9進(jìn)行原位檢測(cè)，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(biāo)志物提供了參考。2018年Culver等[14]報(bào)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(lái)檢測(cè)淚液生物標(biāo)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(guò)利用帶負(fù)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(shí)出現(xiàn)折射率增加。這種復(fù)合材料用于檢測(cè)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(jì)篩查工具。

3.2 青光眼的篩查、診斷與監(jiān)測(cè)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(cè)隨訪是臨床診療的重點(diǎn)和難點(diǎn)，及時(shí)監(jiān)測(cè)眼壓變化對(duì)早期診斷和干預(yù)治療極為重要。眼壓測(cè)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。“Triggerfish”是率先由瑞士 Sensimed 公司制造推出，隨后在多個(gè)國(guó)家上市應(yīng)用的用于眼壓監(jiān)測(cè)的一次性軟性智能眼鏡，直徑約 14 mm，厚度僅為 100～200 μm，通過(guò)在角膜接觸鏡鏡片中嵌入微電子電路及壓阻傳感器來(lái)測(cè)量眼壓及檢測(cè)眼角膜周邊的細(xì)微變化，記錄一段時(shí)間內(nèi)(通常是24 h)患者因角膜壓力與眼壓變化時(shí)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(guò)無(wú)線技術(shù)輸出，借此實(shí)現(xiàn)眼壓監(jiān)測(cè)、能耗管理以及數(shù)據(jù)傳送，從而使得青光眼患者的個(gè)性化診療成為可能，這種眼壓測(cè)量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到眼壓晝夜節(jié)律監(jiān)測(cè)、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(píng)估以及降眼壓藥物治療效果評(píng)價(jià)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(shí)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(gè)醫(yī)用級(jí)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(xì)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(cè)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(shí)現(xiàn)了安全、動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)期的眼壓直接測(cè)量，臨床試驗(yàn)患者佩戴的環(huán)形傳感器在連續(xù)隨訪12個(gè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性、安全性的例證，連續(xù)和準(zhǔn)確的測(cè)量眼壓使得未來(lái)個(gè)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(gè)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(dòng)器，通過(guò)距離感應(yīng)以提供自動(dòng)對(duì)焦。在20 mm寬的可變區(qū)內(nèi)實(shí)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(yuǎn)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(lái)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(jí)電容器連接，超級(jí)電容器分別通過(guò)葡萄糖傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的I/O端口連接，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)將石墨烯天線陣列與智能手機(jī)客戶端軟件進(jìn)行無(wú)線連接，將智能手機(jī)客戶端軟件安裝在智能手機(jī)中來(lái)讀取眼內(nèi)參數(shù)，具備可折疊及長(zhǎng)期、連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)眼壓等生理參數(shù)的功能。其優(yōu)勢(shì)主要集中在四個(gè)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(duì)無(wú)線能量傳輸效率的影響，可以實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)并反饋血糖、眼壓等重要生理參數(shù)。二是無(wú)線供電系統(tǒng)避免了額外電池置換手術(shù)帶來(lái)的感染風(fēng)險(xiǎn)。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(qǐng)專利，仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。瑞士SAV-IOL(Swiss Advanced Vision)公司正在推進(jìn)R-TASC項(xiàng)目的開發(fā)，這是首款具備實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)焦的電子人工晶狀體，通過(guò)反饋環(huán)機(jī)制對(duì)視光學(xué)曲度進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)晶體倍率，術(shù)后通過(guò)一款A(yù)pp控制系統(tǒng)，隨時(shí)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(cè)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(yán)格的血糖監(jiān)測(cè)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(yàn)引起諸多疼痛和不便，所以無(wú)創(chuàng)檢測(cè)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(jì)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(wú)線電化學(xué)感應(yīng)元件和水凝膠鏡片基質(zhì)的來(lái)智能監(jiān)測(cè)淚液葡萄糖的角膜接觸鏡，監(jiān)測(cè)的范圍可達(dá)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(cè)淚液葡萄糖的智能角膜接觸鏡，將傳感器、無(wú)線功率傳輸電路和實(shí)時(shí)顯示傳感信號(hào)通過(guò)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(lái)應(yīng)用潛力巨大。2020年，Keum等[21]研發(fā)出包括實(shí)時(shí)電化學(xué)生物傳感器、柔性藥物傳遞系統(tǒng)、共振感應(yīng)無(wú)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(yuǎn)程通信系統(tǒng)五個(gè)部分的智能角膜接觸鏡，可實(shí)現(xiàn)電子控制藥物傳遞與實(shí)時(shí)淚液生物特征分析相結(jié)合，在糖尿病兔動(dòng)物模型中，成功測(cè)量其淚液葡萄糖并觸發(fā)藥物傳遞系統(tǒng)運(yùn)送降糖藥物，監(jiān)測(cè)的濃度范圍可達(dá)到0～500 mg·L-1，這些都為無(wú)創(chuàng)、持續(xù)性糖尿病診斷及DR治療提供了良好的未來(lái)前景。與此同時(shí)，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(xì)胞，改善視覺(jué)分辨率和色覺(jué)。目前已有三種監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的視網(wǎng)膜假體，在過(guò)去的15年里全球超過(guò)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(gè)在歐洲和美國(guó)獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)臨床使用的人工視覺(jué)系統(tǒng)，通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)物體明暗識(shí)別與運(yùn)動(dòng)軌跡感知。盡管如何通過(guò)圖像處理來(lái)提高視力，擴(kuò)大視野，并將復(fù)雜的視覺(jué)場(chǎng)景簡(jiǎn)化為最顯著的部分等是未來(lái)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(jī)會(huì)。

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(kuò)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(shí)驗(yàn)室階段，需要多中心臨床試驗(yàn)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(jià)值及良好前景。