可穿戴技術(shù)具有通過提供生理參數(shù)的連續(xù)測量來改變醫(yī)療保健的潛力。不使用電子元件就能被動監(jiān)測生理壓力的傳感器是可穿戴隱形眼鏡的理想選擇，因為它們很容易與角膜和外部環(huán)境接觸。在這里，我們報告了一種被動集成微流體傳感器，具有一種新的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，將小的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為一個大的流體體積膨脹，可通過智能手機(jī)相機(jī)檢測。傳感器結(jié)構(gòu)和材料性能的優(yōu)化導(dǎo)致了一個線性和穩(wěn)定的傳感器響應(yīng)。結(jié)果表明，傳感器對單軸應(yīng)變的檢測限為0.06%，對雙軸應(yīng)變的19小時的持續(xù)運行能力，使用壽命達(dá)到>7個月，顯示了長期眼科監(jiān)測應(yīng)用的潛力。

      青光眼是一種神經(jīng)退行性疾病，可導(dǎo)致不可逆的進(jìn)行性視力喪失。根據(jù)2013年的數(shù)據(jù)，全球青光眼患者（40-80歲）的人數(shù)估計為6500萬，預(yù)計2020年將達(dá)到7600-8000萬，2040年將達(dá)到1.12億。高眼壓(IOP)是青光眼的主要和單一可改變的危險因素。目前，在醫(yī)生的辦公室使用眼壓計進(jìn)行的IOP的標(biāo)準(zhǔn)測量，提供了一個單一的數(shù)據(jù)點。然而，IOP不僅在一天中發(fā)生變化，而且因人而異，并取決于日常生活（如飲食、鍛煉等）。IOP的日波動是青光眼進(jìn)展的獨立危險因素。這些波動可以改變醫(yī)生對疾病進(jìn)展的看法。因此，需要連續(xù)、方便、準(zhǔn)確的IOP測量來有效治療青光眼。

      可穿戴技術(shù)利用納米顆粒、碳納米管和嵌入在彈性體中的液態(tài)金屬/離子液體進(jìn)行機(jī)械電氣轉(zhuǎn)導(dǎo)。隱形眼鏡式可穿戴傳感器不僅適用于眼科應(yīng)用（如青光眼管理），也適用于對淚液中化學(xué)生物標(biāo)志物水平的測量。可穿戴傳感器中的電氣測量需要金屬或半導(dǎo)體組件，用于功率、射頻或藍(lán)牙通信和數(shù)據(jù)處理。

      由于電子元件的低空氣滲透性和不透明性，以及傳感器與角膜連接時的困難，這對于眼部應(yīng)用尤其困難。臨床研究表明，24小時使用帶有電組件的隱形眼鏡會由于機(jī)械不匹配的而導(dǎo)致角膜形貌的改變。在另一項臨床研究中，DeSmedtetal.顯示，在90%的患者使用隱形眼鏡與電組件有熒光素陽性染色24小時后，角膜損傷的跡象，與電組件的位置相關(guān)（例如，微處理器），30%的病人需要抗生素治療。Kim等人證明，由石墨烯-銀納米線組成的透明電元件可以解決接觸鏡傳感器中金屬組件的不透明問題。近，Jiang等人建議利用微流體技術(shù)來提高隱形眼鏡傳感器的透氣性。

導(dǎo)流體液體在微流體通道中的應(yīng)用由于其柔韌性性和魯棒性等優(yōu)點，近年來在可穿戴傳感方面引起了關(guān)注。微流控物理傳感器（如應(yīng)變、溫度、壓力）已被證明用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如步態(tài)監(jiān)測、關(guān)節(jié)/肌肉活動監(jiān)測、血壓監(jiān)測、模擬人體體外循環(huán)和眼壓監(jiān)測。

      具有被動視覺讀出的微流控傳感器在可穿戴應(yīng)用中具有固有的優(yōu)勢，如透明度、生物相容性、靈活性和易于接口，因為它們不需要任何電子元件。微流體與智能手機(jī)相機(jī)的集成可以輕松準(zhǔn)確地檢測顏色或形狀變化。被動視覺讀出在眼科是更好的，因為視覺容易獲得和靶器官，角膜的機(jī)械敏感性。微流體的智能手機(jī)成像已被證明可用于使用植入式微流體傳感器進(jìn)行連續(xù)眼壓(IOP)監(jiān)測應(yīng)用的數(shù)據(jù)讀出。

      在本研究中，Araci等人使用體積放大來提高壓力靈敏度（見補(bǔ)充圖1）。體積放大是將體積變化轉(zhuǎn)換為大的線性位移，這是微流控傳感器的另一個*優(yōu)勢。這種現(xiàn)象也被用于普通的汞基溫度計，以一種特殊形式的膨脹測量法[32]。基于膨脹測量法的微流控被動傳感器可以將給定的物理輸入轉(zhuǎn)換為液體半月板的位移，用于視覺檢測。這種器件的穩(wěn)定性和壽命依賴于氣體和液體體積及其界面能的平衡。這就限制了壽命[23]或傳感器材料（例如，溫度計中的汞和玻璃，分別是不生物相容性和不滲透的）。因此，為了在軟被動微流控應(yīng)變傳感器中獲得一種穩(wěn)健的性能，需要一種穩(wěn)定的、生物相容性的液體/傳感器材料組合以及一種敏感的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。

在此，我們提出了一種新型的微流控膨脹計，它被用作一種無電子應(yīng)變傳感器。我們利用微流控通道網(wǎng)絡(luò)的體積膨脹（即膨脹）作為應(yīng)變傳感器的工作原理。通過數(shù)值模擬，我們優(yōu)化了器件的體系結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)大的體積放大。我們已經(jīng)從用各種幾何參數(shù)和材料制作的傳感器中獲得了廣泛的實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在毛細(xì)力作用下，導(dǎo)油的吸收和微小通道變形是影響圖像應(yīng)變傳感器性能的兩個主要因素（即引起漂移、遲滯和不穩(wěn)定）。我們減少了通道寬度以增加剛度，并利用了生物相容性和穩(wěn)定的材料（如疏油)NOA65消除吸油，導(dǎo)致線性和穩(wěn)健的性能。我們已經(jīng)將該傳感器嵌入到隱形眼鏡中，證明了該設(shè)備在眼科臨床應(yīng)用中的適用性。在生理條件下測量了去核豬眼的IOP誘導(dǎo)應(yīng)變，并與接觸眼壓測量進(jìn)行了比較。該設(shè)備可以測量青光眼臨床相關(guān)壓力范圍(10-40mmHg)內(nèi)IOP對角膜形狀變化引起的應(yīng)變。

微流控體的幾何形狀和材料性能的優(yōu)化

（略）

結(jié)論

我們使用NOA65和Clearflex的復(fù)制成型技術(shù)制作了傳感器。我們已經(jīng)開發(fā)了軟光刻技術(shù)，可以制造到100µm的通道高度為150µm(即通道膜厚度為~25µm)的傳感器。（見方法和圖2）。我們制造了具有不同儲層寬度和高度的傳感器。傳感器響應(yīng)分別在機(jī)械應(yīng)力/應(yīng)變分析儀(bimomomentum Inc.，Mach-1)和自制的半球形壓力容器上進(jìn)行了表征.對于單軸測試，傳感器被放置在Mach-1上，并在2小時內(nèi)被拉伸和釋放三次。下圖3結(jié)果顯示，Clearflex的傳感器具有較大的滯后和恒定的漂移。然而，在保持相同的靈敏度的情況下，隨著液藏寬度從200µm減小到50µm，滯后和漂移都減小。與由Clearflex制造的傳感器相比，NOA65傳感器在200µm的儲層寬度下具有更小的遲滯性和更好的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性的提高可以解釋為noa65減少的液體吸收和更高的彈性模量。由此可見，NOA65傳感器在50µm儲層寬度下的穩(wěn)定性得到改善，視覺上無漂移，滯后可忽略，這支持了較高的楊氏模量和較低的通道寬度有助于更好的穩(wěn)定性。我們將這種急劇的改善歸因于i)毛細(xì)管力的平衡和ii)隨著儲層通道寬度的減小，更硬的通道膜的變形減小。

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MACH-1 是Biomomentum公司生產(chǎn)的多功能微觀力學(xué)測試系統(tǒng)，能對微小樣本進(jìn)行拉伸，壓縮，壓痕，剪切，扭轉(zhuǎn)，多力耦合，動態(tài)力學(xué)測試等。詳情歡迎聯(lián)系世聯(lián)博研（北京）科技有限公司。