近日，中國科大工程科學學院龔興龍/王勝團隊，聯(lián)合生命科學學院薛天/馬玉乾團隊、復旦大學化學系張凡團隊，以及國際科研機構(gòu)等，通過對柔性高分子材料的力-光學耦合性能合理設計，開發(fā)出了新型可穿戴隱形眼鏡，實現(xiàn)人類近紅外時空色彩圖像視覺。該研究成果于2025年5月22日在線發(fā)表于國際學術期刊Cell上，被Cell press進行News release專題報道，同時也被中國新聞網(wǎng)、安徽日報和科學網(wǎng)等多家國內(nèi)媒體報道。
團隊成員在做實驗
自然界中存在包括可見光在內(nèi)廣泛波長范圍的電磁波，然而能夠被人類眼睛所感知的可見光只占電磁波譜很小的一部分，人眼所見光譜范圍的局限是由視網(wǎng)膜感光細胞中的感光蛋白（Opsin）固有的物理化學特性所決定。感光波譜缺陷會帶來色盲等視覺疾病，同時為了看到紅外線，人類已研發(fā)出夜視儀等裝備。然而，相關設備笨重、價格昂貴，遠遠不能廣泛普及應用。因此，如何開發(fā)新型柔性可穿戴紅外可視技術并進行實際臨床實驗是調(diào)節(jié)人眼感光波譜范圍，甚至賦予人類近紅外視覺能力的巨大挑戰(zhàn)和前提。
由高分子聚合材料制備的柔性透明隱形眼鏡被廣泛應用于視力矯正，這為我們實現(xiàn)人類近紅外視覺提供了一個可佩戴式的解決方案。然而，制備具有近紅外光轉(zhuǎn)換效應的隱形眼鏡勢必要在現(xiàn)有眼鏡材料中引入上轉(zhuǎn)換材料。但是，無機納米顆粒在高分子聚合物中會導致其光學透明度顯著下降，使得難以獲得高顆粒含量和高透明度的近紅外上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses，UCLs）。因此，解決高效上轉(zhuǎn)換能力（高濃度上轉(zhuǎn)換納米顆粒摻雜）和良好光學性能（高透明度）是開發(fā)新型柔性透明隱形眼鏡的前提。
為此，工程科學學院龔興龍/王勝團隊通過對現(xiàn)有多種高分子材料進行物理/化學分析，篩選適用于人體可穿戴的軟材料，對上述材料進行必要的化學改性并進一步表征其剪切模量、拉伸強度和加-卸載穩(wěn)定性等力學性能，建立起了柔性材料力學-組份耦合關系。在此基礎上，合成出了具有不同光學性能的上轉(zhuǎn)換納米顆粒（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）并進行表面剝離改性，實現(xiàn)了其表面親-疏水性能定向調(diào)控從而提高了其分散性。光學實驗結(jié)果表明開發(fā)出的上轉(zhuǎn)換顆粒和高分子材料具有極高的光折射率匹配性，因此合成出了高摻雜含量（7-9%）的近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡，其在大多數(shù)可見光波譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出90%以上的透明度。這比國際上已報道的0.04-2% UCNPs摻雜量具有顯著性能提升。此外，該團隊也測試了這種近紅外光上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡的親水性和生物相容性等，這些性能能夠達到現(xiàn)有商業(yè)隱形眼鏡的標準，因此符合人體穿戴。高轉(zhuǎn)換顆粒含量和良好的光轉(zhuǎn)換效率也為隱形眼鏡實現(xiàn)近紅外光-可見光轉(zhuǎn)換和人眼可視提供了可能性。因此這些工作生物臨床實驗及其后續(xù)工程應用奠定了重要基礎。
上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡的力-光耦合性能及生物相容性表征結(jié)果
研究人員進一步發(fā)現(xiàn)佩戴UCLs的小鼠不僅獲得感知近紅外光的能力，還可以分辨不同時間頻率和不同方位的近紅外光信息。更重要的是，佩戴UCLs的人類志愿者不僅可以看到一定光強范圍的近紅外光，還可以準確識別近紅外光的時間編碼信息。
最后，為了感知在自然環(huán)境中廣泛存在的多光譜紅外光，合作團隊使用三色正交UCNPs（trichromatic UCNPs）取代了傳統(tǒng)的UCNPs，可以將三種不同光譜的近紅外光轉(zhuǎn)換成紅、綠、藍三基色的可見光，同時避免了發(fā)射光譜波段的干擾問題。通過佩戴三色上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），志愿者可以有效地識別三種波長的近紅外光，感知多種近紅外色彩。此外，通過色彩、時間、空間信息的結(jié)合，志愿者可以準確識別出更豐富的近紅外光編碼的多維度信息。這表明具有抗干擾、正交和多光譜轉(zhuǎn)換特性的tUCLs可以有效地實現(xiàn)人類近紅外色彩圖像視覺。
上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡實現(xiàn)人類近紅外時空色彩視覺
中國科大生醫(yī)部和合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心的馬玉乾教授、博士生陳雨諾、工程科學學院王勝副教授、復旦大學化學系博士生陳子晗以及韓綱研究組張原瑋博士為該論文的共同第一作者。中國科大薛天教授為首要通訊作者，馬玉乾教授、龔興龍教授、王勝副教授、韓綱教授、張凡教授為論文的共同通訊作者。中國科學技術大學為本項工作的第一作者和最后通訊作者單位。該研究得到人類前沿科學項目及多個國際科研項目和基金的支持。同時也得到科技部、基金委、中國科學院、安徽省科技廳等部門的項目基金支持，以及新基石研究員項目、科學探索獎、峰基金等基金的資助。此外，該工作還得到中國科學技術大學物理學院陳宇翱教授、殷旭飛博士的技術支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
