隱形眼鏡不只是矯正近視,還可以即時監測血糖濃度

  • 高翊賢、冷明翰、童筱妍、蘇琬婷、葉曜華

隨著血糖浮動的心情,靠它終於可以舒緩了

號外!號外!大家照過來喔~這款超酷的智慧型隱形眼鏡,不僅輕、薄、短、小,結合了時下最新科技,對於糖尿病患者來說,更是個福音。

憑什麼這樣說呢?就憑它能即時並無痛的監測淚液中的葡萄糖濃度,讓人們不需要時時刻刻擔心在進食或是運動時,可能造成的血糖劇變。糖尿病患者也不用再為了測血糖而挨針受罪了。這款能夠偵測淚液裡葡萄糖濃度的隱眼,除了使用非侵入性的方式外,也不再需要透過鏡片和笨重的儀器連結才能測得數據,可說是方便了不少。

南韓科學家創新設計,突破舊有智慧隱眼的困境

其實利用隱形眼鏡作為偵測器並非新想法。在 2014 年一月,Google便宣布要研發「Google Contact Lens」,希望能透過淚液監測葡萄糖濃度。但最大的問題在於,融合了電子元件的智慧隱眼,其不透明、硬度高的元件不僅會影響視野,隱眼也容易變形而損壞。

為了解決這個問題,來自南韓蔚山國家科學技術學院(UNIST)及成均館大學的研究團隊,提出了新型智慧隱眼的構想,並於今年一月發表在《Science Advances》期刊中。此隱眼(如下圖A)整合葡萄糖偵測器、LED顯示像素以及無線電力傳輸系統,利用LED視覺化即時的血糖濃度,便不需要額外的裝置了!

圖A  隱形眼鏡結構示意圖。天線:接收交流訊號;整流器:將交流訊號轉換為直流;葡萄糖偵測器:偵測淚液中葡萄糖濃度;LED顯示像素:即時顯示淚液中葡萄糖濃度。圖/ Park et al, 2018

利用混合結構與折射率的配合,避免傷害並提供更清晰的視野

針對電子元件容易損壞的問題,研究團隊改良了部分隱眼的結構:

將電子元件置於加固基板(reinforced islands),天線及電路則置於彈性層(elastic substrate)中。加固基板鑲嵌入彈性層,形成混合結構(hybrid substrate)。(如下圖B)

當隱形眼鏡形變時,彈性層會吸收受力,將電子元件保護在加固基板中,便解決了元件容易損壞的問題,也增加了隱眼的壽命及穩定性。

圖B  混合結構:隱形眼鏡被拉伸時,彈性層也隨之擴大,但加固基板仍維持原狀,保護其中的電子元件不受影響。圖/ Park et al, 2018

其中,加固基板是由光感化合物聚合(photo-patternable polymer)所形成;彈性層則選用軟式隱眼的常規材料──矽膠彈性體。研究團隊最大化彈性層的面積,以提供更高的透氧性,避免智慧隱眼對使用者的傷害。

針對視野的清晰度的改善,研究團隊從兩方面著手:

第一,利用銀奈米纖維製作天線及電路。這種材料相當透明,不會遮蔽使用者視野,同時具有出色的延展性,可以降低使用者眼睛的異物感。

第二,研究團隊使用折射率相仿的加固基板與彈性層製作隱眼,避免因折射率差異造成的光線散射,藉此降低霧度,讓視野更清晰。(如下圖C)

圖C  將折射率差異不同的混合結構置於相機前拍攝照片。左為折射率差異低的影像,視野清晰;右為折射率差異高的影像,視野模糊。(點圖放大)圖/ Park et al, 2018

隱眼中的偵測器:即時提醒血糖濃度異常

要了解葡萄糖偵測器,先來看看反應式:

Glucose + O2  H2O2 + Gluconolactone

偵測器中的氧化酶,可以氧化淚液中的葡萄糖。產生的過氧化氫再被分解,生成的氧、質子與電子會影響偵測到的電阻,藉此監控葡萄糖濃度。為了避免偵測器因過氧化氫累積而變得不敏感,研究團隊更將過氧化氫酶置於偵測器中,即時分解過氧化氫,讓偵測器的靈敏度可以維持,不出現延遲的狀況。

因此只要眼睛正常分泌淚水,眨眼時便能將淚液收集於隱眼中,利用非侵入性的方式持續偵測淚液中的代謝物。而此團隊設計的隱眼,在正常情況下,綠色的 LED 顯示器會一直亮著;但若葡萄糖濃度超過閾值,則會關閉 LED 顯示,提醒使用者血糖濃度異常。

圖D  淚液中葡萄糖濃度高於閾值時,LED顯示像素關閉。圖/ Park et al, 2018

此外,這款隱眼可透過無線的操作穩定其溫度,不會突然加熱傷害使用者的雙眼,以確保穿戴者眼睛的安全。此團隊的研究中,也有使用活兔進行活體測試,證明其無明顯的不良影響。

儘管淚液葡萄糖濃度與血液葡萄糖濃度的關係還有待更近一步的研究,但這款智慧隱眼,仍為醫學臨床領域與物理新科技的結合譜出了新的樂章,希望能夠無線、持續、非侵入性地監測生理狀況,同時可用以偵測有關眼睛或是其他疾病的生物標誌物,也提供了應用在其他領域的可能性,像是擴增實境(AR),或是透過鏡片來投藥,避免使用者可能忘記吃藥的麻煩。

參考文獻

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