北京理工大学沈国震、李腊等《ACS Nano》：原位眼压监测系统用于无损实时颅内压监测！

颅内压（ICP），是指颅腔内容物对颅腔壁上所产生的压力。ICP数据是神经重症监护中的关键指标，对于多种脑部疾病的诊断治疗和颅内高压监测（如因颅脑损伤、脑出血、脑肿瘤等引起的压力增高）具有显著的临床意义。此外，实时变化的ICP数据也是面向特因需求的专业人员（如宇航员、高水平运动员等）进行科学训练的重要指导数据。然而，目前临床颅内压监测手段主要为脑室内导管引流和脑实质内传感器，均极度依赖外科手术，增加感染风险的同时也会对被监测者造成严重的二次伤害，因此，亟需一种新型无损颅内压监测技术来解决这些痛点。

为了解决这一问题，北京理工大学沈国震教授与李腊副教授团队基于自组装的柔性接触镜式眼压传感系统，创新性地提出了利用原位眼压（IOP）监测实现非原位、无损、连续颅内压（ICP）监测的新策略，并在体位诱导颅内压变化的动物实验模型中进行了充分的实用验证。相关工作以题为“Crack-enhanced MXene-carbon nanotube soft contact lens for body-induced intracranial pressure application”的学术论文发表在《ACS Nano》上。

图1. IOP传感器通过原位监测IOP变化实现实时ICP监测

【“藕断丝连”启发的微裂纹增强传感机制】

微裂纹传感机制是一种基于材料内部微裂纹结构变化来检测应变、压力或其他物理量的传感原理，传统微裂纹虽然灵敏度高但是稳定形变检测范围极低（1%~3%），显然无法满足实时眼压监测（正常范围10mmHg~20mmHg，峰值可达50mmHg）的要求。为了解决这一难点，研究者在力学传感器的封装层和敏感层之间加入了由水性聚氨酯（WPU）构成的弹性介质层，如图2所示，在优化表面亲水性能和器件机械性能的同时进一步诱导微裂纹结构的产生。使用复合材料作为导电敏感层，C-MWCNTs的加入导致薄膜表面出现大量的褶皱。当薄膜被拉伸到5%并放大到50 µm范围时，可以观察到产生狭窄的裂纹；当拉伸到10%时，新的裂纹形成并扩大。在拉伸过程中，首先出现导电层中的Ti3C2Tx纳米片断裂，然而此时在纳米片上形成导桥结构，从而支撑着断裂部分的末端；进一步拉伸导致裂纹上的C-MWCNTs断裂，此时才会导致薄膜电阻值漂移。整个过程可以比作“藕断丝连”的结构，即C-MWCNTs作为“骨架”，在二维纳米片开始产生裂纹时起到一定的连接支撑作用，阻止了裂纹的迅速扩展，保证了在较大检测范围内有效的导电层，进而在实现传统微裂纹结构高灵敏性的同时有效拓宽了检测范围。

图2.“藕断丝连”启发的微裂纹增强传感机制

【IOP传感器良好的生物相容性】

图3.眼部可穿戴IOP传感器的物理参数和生物相容性

基于微裂纹增强的传感机制，研究者们设计并制备了一款自组装的隐形眼镜式IOP传感器。该IOP传感器的物理参数均与商用隐形眼镜的安全标准参数相匹配，并通过细胞毒性试验和生物佩戴实验初步展示了传感器的生物相容性。考虑到实际佩戴过程的安全性，研究者们还进行了针对视网膜、角膜上皮和上下眼睑的生物安全性测试，测试结果均证明了传感器良好的佩戴安全性，同时加入了热积累效应和长期泪液浸泡稳定性测试，从多角度保障了眼部可穿戴式IOP传感器的良好生物相容性。

【IOP传感器优异的传感性能】

图4. IOP传感器的响应特性和商用ICP探针测试数据

研究者使用自建模拟眼压测试平台对自组装的隐形眼镜式眼压传感器进行了一系列传感响应测试，如图4所示。在测试中，IOP传感器展示出了对不同压力条件、不同压力变化速率、短时间内连续阶梯式压力变化的优异响应，并且具有良好的循环稳定性和可重复性。值得注意的是，在测试过程中，IOP传感器展示出33.21 mV/mmHg的超高灵敏度和60 mmHg的超宽监测范围，均为目前文献报道的电阻型接触镜式眼压传感器的最优值。在眼压的上升和下降过程中，输出电压均遵循良好的线性变化趋势，在上升过程中，线性回归系数R2为0.99426；在下降过程中，R2为0.99589，且两个过程中的灵敏度波动仅为0.13%，响应时间小于100ms且最低分辨率为0.6mmHg，远优于商用IOP传感器。多层次性能测试充分证明了IOP传感器可以满足复杂条件下眼压实时监测的各项需求。

【IOP传感系统用于无损颅内压监测】

图5. IOP传感系统用于无损ICP监测的验证

多项临床研究已经证明，眼压和颅内压之间有很强的相关性，但不幸的是，这些研究依据的数据均为小样本单点监测，缺乏连续实时检测的数据支撑。针对这一问题，研究者们设计了一种体位诱导颅内压变化的动物实验模型，用以验证眼压检测颅内压策略的合理性。研究者设计了一种感知-驱动-反馈系统，用以在实际应用场景中实现简易操作、小型化可穿戴、数据可视化实时反馈的要求，该系统具有良好的线性度（R2 = 0.996）和灵敏的响应速度（Int. = 400 ms）。通过与商用颅内压传感设备的协同工作，充分验证了在体位诱导颅内压变化的动物实验模型中，IOP的连续变化曲线与ICP的曲线具有明显的一致性变化趋势和对应性关键节点，为眼压无损检测颅内压策略提供了有力实验数据支撑。除此之外，研究者还进行了统计学分析（Spearman相关系数为0.8971，p值为0.0017）和解剖学原理分析（眼房水动力学和跨筛板压差理论），多维度论证了这一策略的合理性，为颅内压监测开辟了一种全新的、经济的、有效的方法，在早期诊疗和精准医疗等方面显示出巨大的潜力。

小结

研究者们提出一种全新的类“藕断丝连”的微裂纹增强机制，并开发了一款MXene基的角膜接触镜式IOP传感器，该传感器具有良好的生物相容性和优异的传感响应。进一步地，研究者们构建了一套感知-驱动-反馈系统，并协同商用ICP传感器在体位诱导颅内压变化的动物实验模型中验证了眼压无损检测颅内压策略的可行性，为神经危重症监控、专业人员科学训练和眼球-颅脑关联研究等提供了一种新思路。

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c18484

来源：高分子科学前沿

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