多功能石墨烯增強智能隱形眼鏡：眼部診斷與防護的新進展

1成果簡介

智能隱形眼鏡（SCL）作為健康監測與治療應用的前沿可穿戴平臺應運而生。石墨烯卓越的導電性能與高光學透明度使其成為智能隱形眼鏡開發的理想材料。相關研究推動了石墨烯應用領域的突破性進展：包括用于屏蔽電磁干擾（EMI）及預防眼部脫水的石墨烯薄膜、用于電化學診斷的石墨烯場效應晶體管（FET）、 基于石墨烯的眼內壓（IOP）生物傳感器用于改善青光眼診斷、用于視網膜電圖（ERG）檢測的透明石墨烯隱形眼鏡電極（GRACE），以及用于SCL與外部設備間無線數據傳輸的石墨烯混合電極。

本文，美國密歇根理工大學Phoebe Hu、Yun Hang Hu《ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES》期刊發表名為“Multifunctional Graphene-Enhanced Smart Contact Lenses: A New Frontier in Ocular Diagnostics and Protection”的論文，本綜述系統梳理了在軟性接觸鏡上制備高品質石墨烯薄膜的技術路線，重點闡述了基于銅箔化學氣相沉積（CVD）后溶液轉移的工藝。文章探討了石墨烯賦能的軟性接觸鏡診斷創新，聚焦于場效應晶體管、眼壓生物傳感器、視網膜電圖電極及混合電極。同時重點介紹了石墨烯治療鏡片（特別是藥物遞送領域）的應用，并總結了石墨烯相關眼部安全問題。最后探討了石墨烯融入軟性接觸鏡技術的挑戰與未來發展方向。

2圖文導讀

2017年，Choi和Park發表了一篇富有洞察力的觀點文章，簡要概述了石墨烯在智能接觸中的潛在功能[10]。此后，基于石墨烯的SCL取得了重大進展。然而，關于石墨烯在這些透鏡中整合的綜合綜述尚未發表。這一文獻空白促使我們呈現本綜述，評估多功能石墨烯基礎SCL在診斷和治療領域的進展（如方案1所示），解決當前挑戰，并探討未來展望。

方案一、石墨烯基SCL的進展評估。

2.1 用于CL的石墨烯薄膜制備。

SLC中石墨烯薄膜的制造方法主要依賴于通過兩種方法將CVD生長的石墨烯轉移到CL上：（1）利用聚合物層（如PMMA）溶液轉移石墨烯片，（2）石墨烯墨水的沉積。基于溶液的方法使得在CLs上形成高質量的石墨烯薄膜成為可能，但難以大規模化商業化。相比之下，沉積石墨水易于擴展，但會犧牲鏡片上石墨烯薄膜的質量。

2.2 石墨烯在隱形眼鏡傳感器中的應用

由于其獨特的特性，石墨烯有望成為隱形眼鏡傳感器。基于石墨烯的場效應晶體效應管（FET）可以實現電化學診斷，因為特定的分子結合會誘導石墨烯表面的靜電變化。石墨烯還能增強眼壓測量，改善青光眼的診斷，因為其電氣、機械和結構特性直接解決了傳統傳感器的主要靈敏度極限。此外，柔軟透明的GRACE為ERG測量提供了有前景的替代方案，因其柔韌、透明和化學結合能力，兼具舒適性和功能性，而傳統角膜電極由邊緣帶有金屬導體的CL組成，剛性晶狀體直接接觸眼睛柔軟敏感結構，導致不適。此外，石墨烯還能有效降低SCL天線的板電阻，增強其在SCL與外部設備之間傳輸和接收信息的能力。這些進步將在本節中討論。

圖1、超柔性石墨烯基場效應晶體效應晶體納米傳感器

圖2、用于無線監測眼壓的隱形眼鏡傳感器。

2.3 石墨烯輔助治療鏡片

除了在傳感應用中的關鍵作用外，石墨烯在氯烷中也具有強大的治療潛力。盡管興趣日益增長，但目前僅有限的努力集中在開發石墨烯輔助治療鏡片，特別是用于控制藥物遞送以及解決脫水和EMI（腦電磁干擾）相關問題。

石墨烯的屏蔽效果取決于厚度、均勻性和電導率等因素。需要大量努力，才能在不影響光學透明度、透鏡靈活性或氧氣滲透性的情況下，整合足夠的防脫水保護和有效的EMI屏蔽。此外，石墨烯必須與CLs中常用的水凝膠或硅膠相容。確保穩定的附著力、均勻擴散和化學相容性且不易滲出至關重要。同時實現水合增強和EMI屏蔽通常存在權衡：雖然更高的石墨烯含量能改善EMI屏蔽，但可能降低透明度或氧氣滲透率。在不犧牲整體鏡頭性能的前提下，如何優化這些同時帶來的好處仍是一大挑戰。

2.4 石墨烯引起的眼部安全問題

由于眼睛是高度敏感的器官，在眼部應用中接觸石墨烯材料可能存在潛在的安全風險。盡管只有少數研究探討石墨烯的眼部生物相容性及其在眼部的主要刺激作用，但已有研究探討石墨烯在特定眼組織中的細胞毒性

3小結與展望

石墨烯在軟性可穿戴設備中的集成，標志著健康監測與治療應用領域激動人心的新突破。這項創新得益于石墨烯卓越的導電性能和出色的光學透明度。該領域關鍵進展包括：(1) 用于電化學診斷的石墨烯場效應晶體管；(2) 提升青光眼診斷精度的石墨烯眼壓生物傳感器；(3) 用于視網膜電圖檢測的透明GRACE技術；(4) 實現隱形眼鏡與外部設備無線數據傳輸的石墨烯混合電極；(5) 兼具藥物遞送、電磁屏蔽及防眼干功能的石墨烯薄膜。

盡管取得進展，石墨烯集成軟性接觸鏡仍面臨挑戰。石墨烯涂層雖能防止水分蒸發、減少脫水，卻會抑制氧氣滲透，可能引發紅眼癥和角膜新生血管等缺氧相關病癥。為增強氧氣滲透性，研究者提出采用多孔石墨烯膜[8]，但孔隙率增加又會加速脫水。此外，在石墨烯片中引入孔隙會形成結構缺陷，損害其導電性。因此，設計合成兼顧氧氣透過性、防脫水與導電性的新型多孔石墨烯薄膜將成為關鍵研究方向。

盡管石墨烯集成軟性接觸鏡在監測與診斷應用方面取得顯著進展，但其治療潛力的探索仍顯不足。石墨烯納米材料憑借其巨大比表面積和豐富官能團，能高效吸附、負載并保留治療藥物。其與藥物相互作用的能力可實現可控緩釋，而石墨烯的獨特性質則支持刺激響應型遞送。此外，吸附于石墨烯納米片上的藥物可通過近紅外光脈沖實現可控釋放——利用石墨烯將近紅外光高效轉化為局部熱能的光熱效應。然而該策略尚未應用于軟性接觸鏡領域，亟需深入探索石墨烯基軟性接觸鏡的藥物遞送機制，包括與被動擴散遞送方式的對比研究。這些特性使石墨烯基材料成為眼部藥物遞送的理想候選載體，為未來治療應用研究開辟了重要路徑。

盡管石墨烯涂層能提升軟性隱形眼鏡的性能，但其在鏡片表面的長期附著穩定性尚未得到驗證。實際應用中，粘附強度必須足夠防止剝離及潛在進入眼內。因此評估石墨烯薄膜在軟性隱形眼鏡表面的結合強度至關重要。與技術進步同步，必須評估石墨烯增強型軟性隱形眼鏡的臨床適用性。特別是佩戴舒適性、安全性，以及通過動物和人體試驗進行的嚴格驗證，這些因素對確立其實際應用可行性至關重要。

此外，為隱形眼鏡應用大規模生產高質量石墨烯薄片仍需深入研發。Holicky等人的最新創新成果[118]展示了結合噴涂與光刻技術的方案，可在非平面表面實現石墨烯場效應晶體管的可擴展制造。該方法通過噴涂液相剝離石墨烯墨水，在光刻圖案化電極間沉積石墨烯，同時監測溝道電阻以實現所需導電性。此技術有望為石墨烯隱形眼鏡開辟更高效的制造路徑，拓展其廣泛應用的可能性。然而該方法的規模化應用將面臨多重挑戰：(a) 在高度彎曲且可變形的隱形眼鏡表面實現石墨烯墨水的均勻可重復沉積，其難度遠高于剛性基底；(b) 帶原位電阻監測的噴涂工藝本質上屬于串行流程，難以滿足年產數百萬片鏡片所需的高自動化與并行化要求，且可能損害工藝精度與器件性能。

綜上所述，集成石墨烯的軟性隱形眼鏡有望徹底革新眼部健康領域的診斷與治療應用。隨著研究不斷拓展石墨烯的應用邊界——尤其在藥物遞送和規模化制造方面——這類鏡片極可能成為未來眼科護理的核心技術。持續探索和優化石墨烯在軟性接觸鏡中的應用，必將為開發更先進的多功能設備鋪平道路——這類設備不僅能監測健康狀況，更能積極參與眼部疾病的治療與管理。

文獻:

https://doi.org/10.1002/admt.202502146

來源：材料分析與應用