阿聯酋長國哈里發大學《ACS Nano》金納米復合隱形眼鏡水凝膠，用于色盲管理

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關注 2021年3月3日 13:16

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【背景介紹】

色覺缺陷癥（CVD），通常 也 稱為色盲，是一種遺傳性眼疾，限制了患者區分特定顏色的能力。后者取決于疾病類型及其嚴重程度。它限制了患者可以執行的活動或瑣事的范圍。例如，由于顏色識別在這些職業中至關重要，因此CVD患者被限制在軍事，航空和某些醫療領域工作。此外，人眼通過位于眼睛后部的感光錐來感知顏色（圖1a）。感光錐有三種類型，即短（S）錐，中（M）錐和長（L）錐。這些視錐細胞也以它們最敏感的顏色來表示。實際上，藍色，綠色和紅色感光錐分別是指S錐，M錐和L錐。此外，視入射光的波長而定，視錐細胞在不同的水平上被激活，并 且眼睛所感知的顏色是來自三個視錐細胞的信號的組合。

圖 1.色覺不足時的視覺感知。（a）眼睛內部的感光細胞和視桿細胞。（b）正常色覺和不同類型的CVD所見的有色材料的圖像。（c）正常，（d）質子和（e）氘核的感光細胞在520 nm處的活化百分比。（f）Mie理論模擬了金納米顆粒的吸收光譜隨其直徑的變化。

【背景摘要】

CVD是一種眼先天性疾病，影響8％的男性和0.5％的女性。色覺不足的最普遍形式（色盲）會影響 紅色盲基因 和 綠色盲基因 ，并且通常被稱為“紅綠色盲”。由于無法治愈這種疾病，因此CVD患者選擇可穿戴設備以幫助增強他們的色彩感知能力。CVD患者最常使用的可穿戴設備是有色玻璃/鏡片。對于使用有機染料的紅綠色CVD患者，這些眼鏡可以濾除有問題的波長（540–580 nm）。然而，很少有研究針對彩色視力不足的隱形眼鏡的制造，并且報道了與其有效性和毒性有關的幾個問題。在這項研究中，金納米顆粒被集成到 隱形眼鏡材料中，從而形成了針對紅綠 CVD應用的納米復合隱形眼鏡。 阿拉伯聯合酋長國哈里發大學 Ahmed E. Salih 和 Haider Butt 教授團隊 在《ACS Nano》上發表了題為 Gold Nanocomposite Contact Lenses for Color Blindness Management 的論文。

表征了 三組 不同的納米顆粒，并將其與鏡片的水凝膠材料（pHEMA）結合在一起，并評估了所得的光學和材料性能。 所開發的納米復合透鏡的透射光譜類似于商業CVD可穿戴設備的透射光譜，并且它們的保水性和潤濕性性能優于某些用于美容/視力矯正目的的商業隱形眼鏡。因此，這項工作了金納米復合材料鏡片在CVD管理以及更普遍的彩色濾光應用中的潛力。

【圖文解析】

預聚合的表征如圖 2所示。對“方法”部分中概述的三組納米顆粒進行了表征。這三個納米粒子組的直徑分別為12.73±4.01、44.31±4.17和85.82±6.57 nm，按其大小直方圖顯示。40和12 nm組GNP的直徑標準偏差相對較高，因為它們分別占近10％和30％，而80 nm組的多分散性較小，因為其標準偏差僅為納米顆粒直徑的6.5％ 。盡管如此，TEM圖像（圖2）表明所有金納米顆粒均布均勻，沒有聚集或團聚的跡象。透射光譜顯示在該圖的第二部分（圖2）。

圖 2. （a）12 nm GNP，（b）40 nm GNP和（c）80 nm GNP的預聚合特征：（ii）納米顆粒在其溶液中的透射光譜；（iii）無論是通過實驗還是根據Mie理論預測，改變納米顆粒溶液的折射率對表面等離振子共振位置的影響。

聚合前后，顯影后的納米復合材料的透射光譜及其圖像如圖 3所示。對于三組納米顆粒中的每組，將四個不同的體積濃度添加到水凝膠溶液，其中A和D分別代表最低和最高NP濃度的樣品。這樣做是為了研究NP添加對已開發的納米復合材料鏡片透射光譜的影響。

圖 3.聚合的12 nm GNC，40 nm GNC和80 nm GNC（從左到右）： （a）聚合納米復合材料的透射光譜；（b）納米復合物在聚合之前的溶液（規模：10毫米）；（c）聚合溶液并獲得納米復合材料鏡片的步驟；（d）不同濃度（比例：10毫米）的聚合納米復合材料鏡片。注意，A和D分別具有最低和最高濃度的添加的納米顆粒。

為了驗證納米粒子在透鏡內的聚集或簇形成，對最低和最高濃度的納米復合材料橫截面的 SEM顯微照片進行了成像，如圖4所示。首先，低和高濃縮為12nm GNCs，在所示圖4一個（I，II），沒有明顯的聚集體，像其他兩組在圖4 B，C。同樣，可見的納米粒子（可能是一簇簇的粒子）被均勻分散。但是，在12 GNC的高濃度樣品中，可見納米顆粒的尺寸比低濃度樣品中的可見納米顆粒的尺寸稍大。實際上，圖4中納米顆粒的平均直徑a（i）為74 nm，而圖4 a（ii）為136 nm，表明在前者中，平均六個粒子代表單個粒子（或聚集體） ，而在后者中，簇則組成平均 11種納米粒子。但是，NP簇大小的這種差異不會影響光譜透射率的下降幅度（圖3a），因為漂移幅度的范圍僅為2 nm。盡管如此，NPs的簇集將其分子量從其在34 nm（在水中）的初始值改變為52 nm。

圖 4. （a）12 nm GNC，（b）40 nm GNC和（c）80 nm GNC的SEM顯微照片，其中圖像（i）和（ii）表示最低和最高濃縮樣品，分別表示為A和d在圖3。

圖 5顯示了納米顆粒的添加對三種納米復合材料鏡片的水含量和接觸角的影響。通常，在圖5（ii）的所有三個圖中都觀察到了類似的趨勢。如預期的那樣，由于納米顆粒濃度的增加，鏡片的保水率和潤濕性降低。因此，隱形眼鏡的表面變得更疏水，并且納米復合材料的溶脹度降低。

圖 5. （a）12 nm GNC，（b）40 nm GNC和（c）80 nm GNC的潤濕性和水分含量測量：（i）四種納米復合材料的接觸角測量，在 圖3 中以A–D，采用固著落法；（ii）納米粒子濃度對金納米復合材料的水含量和接觸角的影響。

通過光學和材料特性對納米復合材料進行表征后，針對其他 CVD管理可穿戴設備評估了已開發鏡片的性能，并評估了其作為合適過濾技術的功效。從三組納米復合材料的每組中選擇一個最佳樣品作為該組（尺寸）的代表。這是根據之前顯示的獲得的鏡片特性完成的。首先，通過繪制納米復合材料的光譜以及紅綠CVD患者的光譜圖來評估其有效性，如圖6所示。一種。用于紅綠色CVD患者的已部署濾光片應阻擋光譜中特定波長的光，該波長對應于兩個感光細胞同時被激活的區域（紅色和綠色曲線之間的交點）。在圖6中a，該相交處用黑色圈出，發現波長為560 nm 。此外， 12 nm金納米復合材料的透射斜率距離該相交處22 nm，但在該波長處它卻阻擋了50％的光，并有效地透射了其余波長。605 nm以外的透射率是80％。

圖 6.納米復合材料鏡片的性能評估。 （a）12納米，40納米和80納米金納米復合材料的透射光譜與 紅色盲基因 或 綠色盲基因 感光錐的光譜敏感性相比。（b）12、40和80 nm金納米復合材料的透射光譜與Enchroma，VINO和Atto染色鏡片的光譜相比 。 （c）某些材料的接觸角和水含量的圖示 與已開發的納米復合材料鏡片相比，常見的商用隱形眼鏡。

參考文獻： doi.org/10.1021/acsnano.0c09657

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