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Advanced Science:可穿戴和可植入式眼压生物传感器: 最近的进展和未来的展望
发布时间: 2021-02-02 11:02 | 【 【打印】【关闭】

  随着社会人口老龄化的加剧以及人们对更高生活质量的追求,能够捕捉生物标志物、记录生理信息变化的生物传感器逐渐引起了人们极大的研究兴趣。这些传感器在飞速发展的纳米材料、生物电子以及微流体等技术的支撑下可以提供十分有价值的信息以实现健康状况的评估、疾病的早期筛查。并且这些器件有希望在未来与现有的临床甚至正在研究中的治疗手段相结合形成闭环反馈式的医疗干预,这将能够提供更好的医疗监护并极大地避免药物的滥用和治疗期间所产生的副作用,从而降低患者的痛苦以及医疗和财政负担。目前生物传感器主要以可穿戴、可植入以及可吞咽的方式在体表、体内和肠胃中监测脉搏、关节活动、温度、离子浓度、乳酸、葡萄糖、皮质醇、尿酸、颅压、血压、眼压、神经活动、pH、气体等生理信息。这些关键的信息将为诸如糖尿病、肝脏疾病以及心血管、和眼科等疾病提供重要的病情诊断和治疗效果评估的关键依据。

  在上述的疾病中,青光眼是全球第二大致盲性眼科疾病,其具有不可逆转的进行性视力丧失的可怕特征。目前尚无可靠的技术来恢复因青光眼病情恶化而丧失的视觉,因此尽早的诊断并及时采用合适的治疗方案是减缓这种眼科疾病所引起得视力进一步丧失的最佳途径。然而,由于早期的青光眼病情进展缓慢且无症状,这为这种致盲性眼科疾病的筛查和早期诊断带来了重大挑战。因此,许多患者直到病情严重时才意识到自身罹患青光眼疾病。尽管眼睛只是身体中很小的一部分,但是视觉在人们的日常生活以及学习和工作中承担着十分重要的角色。视觉得丧失和损害不仅会给青光眼患者的日常生活带来广泛的困扰,也给公共医疗服务带来沉重的负担。异常升高的眼压不仅是除视盘、视功能和房角检查之外的青光眼诊断的主要指标,而且其所提供的重要信息还在一定程度上决定着医生对青光眼治疗方案的抉择。目前临床上常用的眼压测量装置包括戈德曼Goldmann压平眼压计、TonoPen眼压计以及Dynamic contour眼压计等。这些眼压计被全球的眼科医院所广泛地采用。然而在眼压测量过程中,这些器械也存在着一些列固有的问题。例如这些装置必须经过专业的眼科医师才能为患者进行眼压测量,这意味着青光眼患者的眼压测量会受到时间地点的限制。其次目前临床上采用的眼压计多数无法实现长时间的连续性眼压测量。值得注意的是人类的眼压在一天中会产生自然的波动,及时、准确的捕捉一天中眼压的波动情况将能够有效的实现青光眼疾病的早期筛查、病情诊断以及治疗效果评估。然而目前的临床眼压计尚无法实现这一目标,这通常会引起不准确的疾病评估,甚至错失最佳的医疗干预时机进而导致视觉损伤甚至失明。因此,建立不受时间和空间限制的连续性眼压监测受到了电子、光学、微流体等领域的广泛关注。

  近期,中山大学电子与信息工程学院的谢曦教授在国际顶级期刊Advanced Science上以“Wearable and Implantable Intraocular Pressure Biosensors: Recent Progress and Future Prospects”为题综述了眼压传感器的发展(DOI: 10.1002/advs.202002971)。全文首先介绍了青光眼及其与眼压的关系以及目前得临床眼压检测器械,并详细地讨论了这些装置的工作原理、特点及局限性。随后根据眼睛的生理结构,此文将眼压传感器分类为穿戴式和植入式眼压传感器(根据植入位点的不同,植入式眼压传感器又详细地分为前房植入式、囊袋植入式、玻璃体植入式和脉络膜植入式眼压传感器)。在文章的第二部分和第三部分分别详细地讨论了穿戴式和植入式眼压传感器的工作原理、关键材料的选取、典型的制备工艺、结构特点和眼压检测性能。并从电路设计、材料的电荷输运特性、微纳加工工艺以及眼部微创手术的实际需求和眼部生物组织的特性等方面对一些具有代表性意义的案例进行深入的剖析。第四部分分别从材料选择和器件结构方面阐述了目前已经发表的眼压传感器可能对眼部组织构成的潜在疾病风险。例如眼表的感染、过敏、血管退化和意外损伤以及银质沉着病、眼内感染、眼内炎症、虹膜缺陷和后囊浑浊。此外在此部分还详细列举了目前进行眼压传感器性能测试过程中所采用的动物模型及其特点和潜在的问题。对于制约眼压传感器实际应用的问题与挑战,在最后一部分此文从表面与界面以及结构等方面提出了可行的解决策略以兼顾长期稳定的眼压监测和更小的眼压传感器给眼部所带来的疾病风险。除此以外第五部分还阐述了眼压传感器在研究除青光眼以外的其他疾病(例如糖尿病、高血压、慢性肾脏疾病、视网膜静脉阻塞等)方面的潜在应用。谢曦教授认为这些眼压传感器能够与其他各种生物传感器相结合,将为研究人员和临床医生探索疾病模型、解决复杂综合征治疗中的关键科学问题提供强大的洞察力。

  这篇综述对于更好的眼压传感器的结构设计、器件制造、性能优化以及降低这些器件的潜在风险具有重要的参考价值。这对未来眼压传感器的发展以及实际应用具有重要意义。

  文章来源:materialsviewschina

  文章链接:https://www.materialsviewschina.com/2021/01/51724/

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