Design als Leitfaden für Fische und Insekten für zukünftige Kontaktlinsen: Forscher suchen nach einer Alternative zu den derzeitigen Optionen für eine häufige Augenerkrankung | 2020

Inhaltsverzeichnis:

Anonim

Stellen Sie sich eine Kontaktlinse vor, die innerhalb von Millisekunden automatisch fokussiert. Dies kann für Menschen mit Alterssichtigkeit lebensverändernd sein, da die Linse des Auges versteift ist und es schwierig ist, sich auf nahe Objekte zu konzentrieren. Presbyopie betrifft weltweit mehr als 1 Milliarde Menschen, von denen die Hälfte nicht ausreichend korrigiert wurde, sagte der Leiter des Projekts, Hongrui Jiang, Ph.D., von der Universität von Wisconsin, Madison. Brillen, herkömmliche Kontaktlinsen und chirurgische Eingriffe sind zwar verbesserungsbedürftig, doch gehen bei diesen Optionen sowohl Kontrast und Empfindlichkeit als auch Nachtsichtschwierigkeiten verloren. Jiangs Idee ist es, Kontakte zu entwickeln, die sich kontinuierlich an die eigene Hornhaut und Linse anpassen, um die jugendliche Vision einer Person wiederzuerlangen.

Das vom National Eye Institute finanzierte Projekt, für das Jiang 2011 mit dem New Innovator Award des NIH Director ausgezeichnet wurde (eine Initiative des NIH Common Fund), erfordert die Bewältigung mehrerer technischer Herausforderungen. Dazu gehören das Entwerfen der Linse, algorithmisch gesteuerte Sensoren und elektronische Miniaturschaltungen, die die Form der Linse anpassen, sowie das Erstellen einer Stromquelle - alles eingebettet in ein weiches, flexibles Material, das über das Auge passt.

In ihrer neuesten Studie, veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften , Jiang und sein Team konzentrierten sich auf ein Design für die Bildsensoren. "Die Sensoren müssen extrem klein und in der Lage sein, Bilder bei schlechten Lichtverhältnissen aufzunehmen. Sie müssen daher äußerst lichtempfindlich sein", sagte Jiang.

Das Team ließ sich von der Netzhaut des Elefantennasenfisches inspirieren, die eine Reihe von tiefen, becherartigen Strukturen mit reflektierenden Seitenwänden aufweist. Dieses Design hilft, Licht zu sammeln und die bestimmten Wellenlängen zu intensivieren, die der Fisch benötigt, um zu sehen. Aus Anlehnung an die Natur entwickelten die Forscher ein Gerät, das Tausende sehr kleiner Lichtsammler enthält. Diese Lichtkollektoren sind fingerartige Glasvorsprünge, deren Innenseite tiefe, mit reflektierendem Aluminium beschichtete Becher sind. Das einfallende Licht trifft auf die Finger und wird dann von den reflektierenden Seitenwänden fokussiert. Jiang und sein Team testeten die Fähigkeit dieses Geräts, Bilder zu verbessern, die mit einem in einem Labor entwickelten mechanischen Augenmodell aufgenommen wurden.

In separaten Studien haben die Forscher verschiedene Ansätze für das Kontaktlinsenmaterial entwickelt und getestet. Für einen Ansatz bildeten sie eine Flüssigkeitslinse aus einem Tropfen Silikonöl und Wasser, die sich nicht vermischen. Das Tröpfchen sitzt in einer Kammer auf einer flexiblen Plattform, während ein Elektrodenpaar ein elektrisches Feld erzeugt, das die Oberflächenspannung jeder Flüssigkeit unterschiedlich verändert, was zu Kräften führt, die das Tröpfchen in unterschiedliche Brennweiten drücken. Das Objektiv kann auf Objekte mit einer Größe von nur 20 Mikrometern fokussieren, was in etwa der Breite des dünnsten menschlichen Haares entspricht.

Sie entwickelten einen anderen Linsentyp, der von den Facettenaugen von Insekten und anderen Arthropoden inspiriert war. Insektenaugen bestehen aus Tausenden von einzelnen Mikrolinsen, die jeweils in unterschiedliche Richtungen zeigen, um einen bestimmten Teil einer Szene einzufangen. Jiang und seine Kollegen entwickelten eine flexible Anordnung künstlicher Mikrolinsen. "Jede Mikrolinse besteht aus einem Wald von Silizium-Nanodrähten", erklärte Jiang. Zusammen bieten die Mikrolinsen eine noch größere Auflösung als die Flüssigkeitslinse. Durch die Flexibilität des Arrays eignet es sich nicht nur für Kontaktlinsen, sondern auch für andere potenzielle Verwendungszwecke. Wickeln Sie es um ein laparoskopisches Operationsfernrohr, und Sie haben eine hochauflösende 360-Grad-Ansicht im Körper eines Patienten. Bringen Sie es an einem Laternenpfahl an und Sie können die umgebende Kreuzung von allen Seiten sehen.

Um den Fokus zu ändern, muss die Kontaktlinse auch mit einer extrem kleinen, dünnen Stromquelle ausgestattet sein.

Jiangs Arbeitslösung: Eine Solarzelle, die gleichzeitig Elektronen aus dem Sonnenlicht gewinnt, sie in Elektrizität umwandelt und Energie in einem Netzwerk von Nanostrukturen speichert. Es funktioniert ähnlich wie ein herkömmliches Solarmodul, aber das Hinzufügen von Speicherkapazitäten in einem einzigen Gerät sei neu, so Jiang. Das Gerät muss noch optimiert werden, aber das Team ist optimistisch, dass es leistungsstark genug sein wird, um das Objektiv anzutreiben, aber klein genug, um dem verfügbaren Platz gerecht zu werden.

Ein Prototyp für klinische Tests könnte noch in fünf bis zehn Jahren fertig sein, sagte Jiang. Sobald es verfügbar ist, kostet es jedoch möglicherweise nicht viel mehr als herkömmliche Kontaktlinsen. "Es gibt einen riesigen Markt dafür und bei Massenproduktion dürften die Kosten kein Hindernis sein", sagte er.