智能生物传感器在眼科学领域的应用研究进展△

樊倩 王雁 段学欣 薛茜男 游睿 杨文拓 杨洋

智能生物传感器是指利用柔性电子技术将有机、无机或有机无机复合(杂化)材料沉积于柔性基底上形成以电路为代表的(光电子)电子元器件及其集成系统实现人体多种信号采集、数据生成与分析的一门新兴科学技术[1]。智能生物传感器具有可变形、便携式、质量轻、可穿戴、可植入、实时监测等特性，在航空航天、国防军工、公共安全、健康医疗等多个领域应用前景广阔。近年来智能生物传感器应用广泛，由英国剑桥IDTechEx预测，到2028年，全球智能生物传感器相关产业将为数千亿美元，并且处于长期高速增长态势。目前，针对眼科领域的智能生物传感器产品的研发虽刚刚起步，但初见端倪。因此，本文将智能生物传感器在眼科疾病监测、诊断及治疗之中的研究进展现状综述如下。

1 智能电子生物传感器的材料选择

为了满足智能生物传感器的器件要求，轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀、生物相容性与安全性高等性质成为了智能生物传感器柔性基底的关键指标。常见的柔性材料有：聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、纸片、纺织材料等。聚酰亚胺材料具有耐高温、耐低温、耐化性与良好电气等优点，是柔性电子最具潜力的材料；聚二甲基硅氧烷也是被广泛认可的柔性材料，其优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等，尤其在紫外光下黏附区和非黏附区分明的特性使其表面可以很容易地黏附电子材料；聚酯虽然转化温度低，为70～80 ℃，但是优势在于价格低廉，光穿透性好，是透明导电膜性价比很高的材料。微型化的电子微芯片合理集成至功能性和柔性的基底结构中，并结合不同种类金属材料、有机材料、无机半导体材料、碳材料(石墨烯等)等制作不同作用的智能生物传感器。

2 智能生物传感器在眼科的应用类型

智能传感器是指具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器能将检测到的各种物理量储存起来，并按照指令处理这些数据，从而创造出新数据。传感器之间可以进行信息交流，完成分析和统计计算等。

2.1 条带式传感器近十几年来，智能生物传感器设备在眼科的研究集中在眼表泪液成分的感应研究分析，最早期的基于泪液分析的可穿戴设备被开发出来是在柔韧或可伸缩长条带状上传感器，通过电化学方式感应泪液成分，其中包括Kudo等[2]制造了一种基于柔性聚二甲基硅氧烷的通过搭载葡萄糖氧化酶的电化学传感器，通过电化学法测定泪液葡萄糖浓度，以及Kagie等[3]结合薄膜印刷技术进一步改良条带状电化学传感器，开发出低成本、高保真度的眼表传感器。虽然条带式传感器已可以做到泪液中葡萄糖水平的监测以及用于监测干燥性角膜结膜炎中泪液氧气水平，但是缺少传感器的集成以及数据处理功能。同时条形传感器很难保持在原位，硬塑料基材通常会刺激角结膜和随后的形成反射性泪液分泌，从而降低了其作为可穿戴设备的测量准确性和佩戴舒适性，继而临床可用性大大降低。

2.2 角膜接触镜式传感器角膜接触镜可直接接触眼表且材料相对成熟，因此将传感器打印在可穿戴智能隐形眼镜系统的设计提供了一个非常强大而具吸引力的平台，对佩戴者来说舒适性高，较小影响泪液分泌，透氧性佳，眼表稳定性及生物安全性更好，以及可提供准确而持续的感应监控与数据集成。智能角膜接触镜包含超薄而灵活的电路和微控制器芯片，目前厚度最薄约为0.2 mm，两种感应模式的智能角膜接触镜已经被成功研发出来，包括光学与电化学感应[4]。一方面，最早的光学传感器测量通过荧光检测与葡萄糖竞争性结合分子的泪液含量来反映泪液葡萄糖浓度，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纳米颗粒荧光的隐形眼镜，通过测量荧光强度和共振能量转移来反映泪液葡萄糖浓度，同时胶体晶体阵列模式设计的智能隐形眼镜能够选择性地检测到可见的颜色变化来反映眼表葡萄糖浓度的变化[5]。另一方面，电化学感应模式是智能隐形眼镜设计的里程碑式进展。Yao等[6]与Kim等[7]率先采用基于葡萄糖氧化酶的电流型葡萄糖传感器，设计出内置无线式阅读芯片的智能隐形眼镜。Kajisa等[8]开发出高灵敏的水凝胶场效应晶体管葡萄糖传感器适用于泪液检测，传感器可以明显抑制非特异性信号及噪声干扰。

2.3 弹簧式传感器2018年由荷兰NovioSense公司推出一种由保护性多糖水凝胶材料包被的小型弹簧式电化学传感器，可置于下睑结膜穹窿内，弹簧形电极被包裹在含有固定化酶的生物聚合物中，当暴露于葡萄糖时，这种固定化酶开始化学反应导致过氧化氢的氧化，通过计时安培法测量电极可以检测到过氧化氢含量，继而实现人体无创泪液葡萄糖含量测定及无线数据传输[9]。

2.4 基于眼镜架构的生物传感器基于眼镜的智能生物传感器系统包含4个主要部分：收集眼泪的流体装置，电化学流量检测器，无线电子元件部分和眼镜支撑系统。Sempionatto等[10]集成微流控电化学检测器件放入基于眼镜架构的内眦部鼻桥垫设计的贴片之中，引流收集泪液后对其中多种生物标志物进行无创监测，如泪液中乙醇、维生素和葡萄糖含量等。与其他泪液监测平台不同，本系统不仅可以实现直接无创采集并可以实时测量泪液成分，而且避免直接接触眼表及眼内组织，即减少眼部感染及视力损害的可能。

3 智能生物传感器感应设备在眼科诊疗中的应用

3.1 眼表相关疾病诊断与监测2018年，Veli等[11]利用表面功能化的聚苯乙烯微粒标记的隐形眼镜来捕捉金黄色葡萄球菌，使用无透镜芯片显微镜拍摄全息图对每个镜片的曲面进行三维成像。通过旋转场变换和全息数字聚焦计算重构出隐形眼镜的三维表面后，采用机器学习算法自动计数透镜表面上的微粒数，从而量化捕获细菌的数量。这种计算传感平台的检测最小极限为每微升16个细菌。这种基于隐形眼镜的可穿戴智能生物传感器未来可广泛应用于检测泪液中的各种细菌，在眼表细菌性感染性疾病中有潜在应用价值。在病毒性结膜炎患者的泪液之中，炎性蛋白水平会相应增高，Mak等[12]研发出一种具备双向功能混合表面，用于调节和检测病原体吸附，采用一种简单的逐层表面工程技术构建了治疗性隐形眼镜，其具有良好的表面润湿性、光学透明性和对人角膜上皮细胞无毒性，用于结合和浓缩炎症细胞因子，如可检测单纯疱疹病毒-1 活化过程中上调的白细胞介素-1α水平，用于泪液感染的敏感性及无创性诊断。这种治疗性隐形眼镜还加入了抗病毒涂层，可作为眼表第一道防线，保护患者免受病毒侵袭。另外，针对干眼症设计开发的生物传感器检测泪液生物标志物的相关研究近年来进展迅速。2017年，Santamaría等[13]报道一种基于薄层硝酸纤维素作为传感表面的新型压缩型光学生物芯片，对干眼症相关蛋白基质金属蛋白酶-9进行原位检测，将特异性抗体固定在不同干涉传感器布局的集成电路之上，基质金属蛋白酶-9的检出低限为25 μg·L-1，为原位筛选慢性干眼症的泪液生物标志物提供了参考。2018年Culver等[14]报道在局部表面等离子体共振生物传感器中使用金纳米壳水涂层凝胶来检测泪液生物标记物，N-异丙基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸(PNM)纳米水凝胶可以作为蛋白质受体，通过利用带负电的PNM纳米水凝胶和带正电荷的蛋白质之间产生静电吸引，PNM纳米水凝胶在与蛋白质结合时出现折射率增加。这种复合材料用于检测干眼症泪液中溶菌酶和乳铁蛋白浓度的变化，可作为干眼症的潜在经济筛查工具。

3.2 青光眼的筛查、诊断与监测青光眼目前作为全球第2位不可逆性致盲性眼病，患者眼压的控制与监测随访是临床诊疗的重点和难点，及时监测眼压变化对早期诊断和干预治疗极为重要。眼压测量的传感器技术主要包括压力传感器、压阻传感器、电容传感器和电阻传感器。“Triggerfish”是率先由瑞士 Sensimed 公司制造推出，随后在多个国家上市应用的用于眼压监测的一次性软性智能眼镜，直径约 14 mm，厚度仅为 100～200 μm，通过在角膜接触镜镜片中嵌入微电子电路及压阻传感器来测量眼压及检测眼角膜周边的细微变化，记录一段时间内(通常是24 h)患者因角膜压力与眼压变化时的眼球曲度变化情况，并将镜片扭曲的电阻变化读数信息透过无线技术输出，借此实现眼压监测、能耗管理以及数据传送，从而使得青光眼患者的个性化诊疗成为可能，这种眼压测量技术已经应用到眼压昼夜节律监测、正常眼压性青光眼、甲状腺功能相关眼病、粘小管成形术术后效果评估以及降眼压药物治疗效果评价等多种用途，并且能够提供可靠的眼压数据[15]。2020年，Choritz等[16]在招募的22例原发性开角型青光眼合并白内障的患者中行眼内白内障超声乳化吸除术同时经由角巩膜隧道植入第二代EYEMATE-IO环形传感器，其集成了压力和温度传感器，将专用集成电路与金属微线圈相连密封在一个医用级硅橡胶材料的灭菌环中，其在距离环体外圈0.5 mm处明显变薄，圆形边缘逐渐变细到0.1 mm厚度，可收集感应数据模拟到数字编码器和遥测装置，还可防止在植入睫状沟后发生偏移。相比于第一代产品厚度为0.9 mm，且边缘锐利，第二代传感器植入睫状沟后眼部并发症大大减少，从而实现了安全、动态和长期的眼压直接测量，临床试验患者佩戴的环形传感器在连续随访12个月后被安全取出。这一里程碑式的研究为眼内应用智能生物传感器提供了长期稳定性、安全性的例证，连续和准确的测量眼压使得未来个体化青光眼治疗更加有依据和保障。

3.3 屈光系统疾病相关2019年，Jarosz等[17]创新性采用一种新颖的变焦技术，研发出一款用于自适应矫正老花眼的智能眼镜，它依靠一个充满液体的可变焦距透镜(内含2种液体和1种超薄薄膜，压缩纳米薄膜夹在两种不同的压裂液之间)，辅以低功率、大容量微流控驱动器，通过距离感应以提供自动对焦。在20 mm宽的可变区内实现了所需的屈光度变化，初步的光学质量分析表明其空间分辨率远优于常规分辨率。这种老视矫正器是一种自适应的双色差矫正器，它嵌入模型眼球内，提供静态屈光矫正，为未来老花眼的智能矫正提供了技术参考。王文骥等[18]发明了一种可长期监测人体生理参数的智能人工晶体，采用石墨烯天线阵列依次与滤波器、整流器、稳压器及超级电容器连接，超级电容器分别通过葡萄糖传感器、压力传感器和温度传感器与数据存储器的I/O端口连接，数据传输时将石墨烯天线阵列与智能手机客户端软件进行无线连接，将智能手机客户端软件安装在智能手机中来读取眼内参数，具备可折叠及长期、连续、准确地监测眼压等生理参数的功能。其优势主要集中在四个方面：一是产品的生物相容性良好，植入眼内后每次的生理参数的读取均为非侵入式，植入位置最浅，尽可能降低了人体组织的吸收作用对无线能量传输效率的影响，可以实现24 h连续监测并反馈血糖、眼压等重要生理参数。二是无线供电系统避免了额外电池置换手术带来的感染风险。三是晶体使用石墨烯天线阵列使智能人工晶体具备足够柔性，可小切口植入，减轻术后的不良反应。四是晶体采用的丙烯酸酯外壳能降低后发性白内障及眼内炎的发生率，目前已申请专利，仍处于实验室研发阶段。瑞士SAV-IOL(Swiss Advanced Vision)公司正在推进R-TASC项目的开发，这是首款具备实时自动对焦的电子人工晶状体，通过反馈环机制对视光学曲度进行控制，从而调节晶体倍率，术后通过一款App控制系统，随时调校晶体的屈光度旨在完全恢复白内障手术后的视力。

3.4 视网膜相关疾病的诊断与监测糖尿病视网膜病变(DR)是困扰全球人群的主要致盲性眼底疾病，严格的血糖监测与控制是主要的临床治疗手段。常规的频繁指尖采血试验引起诸多疼痛和不便，所以无创检测眼表泪液中葡萄糖含量，是智能生物传感器在眼科中研究最为广泛的领域，设计的智能隐形眼镜类型层出不穷。2014年，谷歌与诺华公司[19]联合研发出一款集成微型无线电化学感应元件和水凝胶镜片基质的来智能监测泪液葡萄糖的角膜接触镜，监测的范围可达到0～360 mg·L-1。2018年，Park等[20]研发出0～1800 mg·L-1大范围检测泪液葡萄糖的智能角膜接触镜，将传感器、无线功率传输电路和实时显示传感信号通过整合入透明和可拉伸的纳米材料中，镜片透明度高，使用光刻技术更有利于大规模量产，未来应用潜力巨大。2020年，Keum等[21]研发出包括实时电化学生物传感器、柔性药物传递系统、共振感应无线能量传输系统，基于带电源管理单元的微控制器芯片及远程通信系统五个部分的智能角膜接触镜，可实现电子控制药物传递与实时泪液生物特征分析相结合，在糖尿病兔动物模型中，成功测量其泪液葡萄糖并触发药物传递系统运送降糖药物，监测的浓度范围可达到0～500 mg·L-1，这些都为无创、持续性糖尿病诊断及DR治疗提供了良好的未来前景。与此同时，在难治性致盲性视网膜退行性疾病(如视网膜色素变性、老年性黄斑变性等)相关的人工视网膜替代治疗研究方面，生物电子视网膜植入物作为可穿戴人工视网膜假体，可选择性地刺激视网膜内部的特定细胞，改善视觉分辨率和色觉。目前已有三种监管机构批准的视网膜假体，在过去的15年里全球超过500名患者被相继植入应用[22]。Luo等[23]回顾Argus®II视网膜修复系统作为第一个在欧洲和美国获得监管机构批准临床使用的人工视觉系统，通过在眼周经由手术固定高密度植入式封装和柔性微电极阵列以及眼内植入高性能的视网膜电极涂层材料来实现物体明暗识别与运动轨迹感知。尽管如何通过图像处理来提高视力，扩大视野，并将复杂的视觉场景简化为最显著的部分等是未来需要解决的方向，但是智能生物传感器的应用为罹患视网膜退行性疾病的低视力人群提供了视力改善的机会。

4 总结和展望

结合柔性电子技术的智能生物传感器在眼表感染性疾病、干眼症、青光眼、DR、老视矫正及视网膜退行性疾病治疗等方面的研究逐步快速扩展，虽然目前由于技术的限制，能够应用于眼科临床的智能生物传感器的生物相容性、选择性、稳定性、可靠性和寿命仍然面临着调整和挑战。一些智能生物传感器仍然处于在临床前研究与实验室阶段，需要多中心临床试验研究逐渐开展，但其在眼科的应用已显示其特有的临床应用价值及良好前景。