多功能石墨烯增强智能隐形眼镜：眼部诊断与防护的新进展

1成果简介

智能隐形眼镜（SCL）作为健康监测与治疗应用的前沿可穿戴平台应运而生。石墨烯卓越的导电性能与高光学透明度使其成为智能隐形眼镜开发的理想材料。相关研究推动了石墨烯应用领域的突破性进展：包括用于屏蔽电磁干扰（EMI）及预防眼部脱水的石墨烯薄膜、用于电化学诊断的石墨烯场效应晶体管（FET）、 基于石墨烯的眼内压（IOP）生物传感器用于改善青光眼诊断、用于视网膜电图（ERG）检测的透明石墨烯隐形眼镜电极（GRACE），以及用于SCL与外部设备间无线数据传输的石墨烯混合电极。

本文，美国密歇根理工大学Phoebe Hu、Yun Hang Hu《ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES》期刊发表名为“Multifunctional Graphene-Enhanced Smart Contact Lenses: A New Frontier in Ocular Diagnostics and Protection”的论文，本综述系统梳理了在软性接触镜上制备高品质石墨烯薄膜的技术路线，重点阐述了基于铜箔化学气相沉积（CVD）后溶液转移的工艺。文章探讨了石墨烯赋能的软性接触镜诊断创新，聚焦于场效应晶体管、眼压生物传感器、视网膜电图电极及混合电极。同时重点介绍了石墨烯治疗镜片（特别是药物递送领域）的应用，并总结了石墨烯相关眼部安全问题。最后探讨了石墨烯融入软性接触镜技术的挑战与未来发展方向。

2图文导读

2017年，Choi和Park发表了一篇富有洞察力的观点文章，简要概述了石墨烯在智能接触中的潜在功能[10]。此后，基于石墨烯的SCL取得了重大进展。然而，关于石墨烯在这些透镜中整合的综合综述尚未发表。这一文献空白促使我们呈现本综述，评估多功能石墨烯基础SCL在诊断和治疗领域的进展（如方案1所示），解决当前挑战，并探讨未来展望。

方案一、石墨烯基SCL的进展评估。

2.1 用于CL的石墨烯薄膜制备。

SLC中石墨烯薄膜的制造方法主要依赖于通过两种方法将CVD生长的石墨烯转移到CL上：（1）利用聚合物层（如PMMA）溶液转移石墨烯片，（2）石墨烯墨水的沉积。基于溶液的方法使得在CLs上形成高质量的石墨烯薄膜成为可能，但难以大规模化商业化。相比之下，沉积石墨水易于扩展，但会牺牲镜片上石墨烯薄膜的质量。

2.2 石墨烯在隐形眼镜传感器中的应用

由于其独特的特性，石墨烯有望成为隐形眼镜传感器。基于石墨烯的场效应晶体效应管（FET）可以实现电化学诊断，因为特定的分子结合会诱导石墨烯表面的静电变化。石墨烯还能增强眼压测量，改善青光眼的诊断，因为其电气、机械和结构特性直接解决了传统传感器的主要灵敏度极限。此外，柔软透明的GRACE为ERG测量提供了有前景的替代方案，因其柔韧、透明和化学结合能力，兼具舒适性和功能性，而传统角膜电极由边缘带有金属导体的CL组成，刚性晶状体直接接触眼睛柔软敏感结构，导致不适。此外，石墨烯还能有效降低SCL天线的板电阻，增强其在SCL与外部设备之间传输和接收信息的能力。这些进步将在本节中讨论。

图1、超柔性石墨烯基场效应晶体效应晶体纳米传感器

图2、用于无线监测眼压的隐形眼镜传感器。

2.3 石墨烯辅助治疗镜片

除了在传感应用中的关键作用外，石墨烯在氯烷中也具有强大的治疗潜力。尽管兴趣日益增长，但目前仅有限的努力集中在开发石墨烯辅助治疗镜片，特别是用于控制药物递送以及解决脱水和EMI（脑电磁干扰）相关问题。

石墨烯的屏蔽效果取决于厚度、均匀性和电导率等因素。需要大量努力，才能在不影响光学透明度、透镜灵活性或氧气渗透性的情况下，整合足够的防脱水保护和有效的EMI屏蔽。此外，石墨烯必须与CLs中常用的水凝胶或硅胶相容。确保稳定的附着力、均匀扩散和化学相容性且不易渗出至关重要。同时实现水合增强和EMI屏蔽通常存在权衡：虽然更高的石墨烯含量能改善EMI屏蔽，但可能降低透明度或氧气渗透率。在不牺牲整体镜头性能的前提下，如何优化这些同时带来的好处仍是一大挑战。

2.4 石墨烯引起的眼部安全问题

由于眼睛是高度敏感的器官，在眼部应用中接触石墨烯材料可能存在潜在的安全风险。尽管只有少数研究探讨石墨烯的眼部生物相容性及其在眼部的主要刺激作用，但已有研究探讨石墨烯在特定眼组织中的细胞毒性

3小结与展望

石墨烯在软性可穿戴设备中的集成，标志着健康监测与治疗应用领域激动人心的新突破。这项创新得益于石墨烯卓越的导电性能和出色的光学透明度。该领域关键进展包括：(1) 用于电化学诊断的石墨烯场效应晶体管；(2) 提升青光眼诊断精度的石墨烯眼压生物传感器；(3) 用于视网膜电图检测的透明GRACE技术；(4) 实现隐形眼镜与外部设备无线数据传输的石墨烯混合电极；(5) 兼具药物递送、电磁屏蔽及防眼干功能的石墨烯薄膜。

尽管取得进展，石墨烯集成软性接触镜仍面临挑战。石墨烯涂层虽能防止水分蒸发、减少脱水，却会抑制氧气渗透，可能引发红眼症和角膜新生血管等缺氧相关病症。为增强氧气渗透性，研究者提出采用多孔石墨烯膜[8]，但孔隙率增加又会加速脱水。此外，在石墨烯片中引入孔隙会形成结构缺陷，损害其导电性。因此，设计合成兼顾氧气透过性、防脱水与导电性的新型多孔石墨烯薄膜将成为关键研究方向。

尽管石墨烯集成软性接触镜在监测与诊断应用方面取得显著进展，但其治疗潜力的探索仍显不足。石墨烯纳米材料凭借其巨大比表面积和丰富官能团，能高效吸附、负载并保留治疗药物。其与药物相互作用的能力可实现可控缓释，而石墨烯的独特性质则支持刺激响应型递送。此外，吸附于石墨烯纳米片上的药物可通过近红外光脉冲实现可控释放——利用石墨烯将近红外光高效转化为局部热能的光热效应。然而该策略尚未应用于软性接触镜领域，亟需深入探索石墨烯基软性接触镜的药物递送机制，包括与被动扩散递送方式的对比研究。这些特性使石墨烯基材料成为眼部药物递送的理想候选载体，为未来治疗应用研究开辟了重要路径。

尽管石墨烯涂层能提升软性隐形眼镜的性能，但其在镜片表面的长期附着稳定性尚未得到验证。实际应用中，粘附强度必须足够防止剥离及潜在进入眼内。因此评估石墨烯薄膜在软性隐形眼镜表面的结合强度至关重要。与技术进步同步，必须评估石墨烯增强型软性隐形眼镜的临床适用性。特别是佩戴舒适性、安全性，以及通过动物和人体试验进行的严格验证，这些因素对确立其实际应用可行性至关重要。

此外，为隐形眼镜应用大规模生产高质量石墨烯薄片仍需深入研发。Holicky等人的最新创新成果[118]展示了结合喷涂与光刻技术的方案，可在非平面表面实现石墨烯场效应晶体管的可扩展制造。该方法通过喷涂液相剥离石墨烯墨水，在光刻图案化电极间沉积石墨烯，同时监测沟道电阻以实现所需导电性。此技术有望为石墨烯隐形眼镜开辟更高效的制造路径，拓展其广泛应用的可能性。然而该方法的规模化应用将面临多重挑战：(a) 在高度弯曲且可变形的隐形眼镜表面实现石墨烯墨水的均匀可重复沉积，其难度远高于刚性基底；(b) 带原位电阻监测的喷涂工艺本质上属于串行流程，难以满足年产数百万片镜片所需的高自动化与并行化要求，且可能损害工艺精度与器件性能。

综上所述，集成石墨烯的软性隐形眼镜有望彻底革新眼部健康领域的诊断与治疗应用。随着研究不断拓展石墨烯的应用边界——尤其在药物递送和规模化制造方面——这类镜片极可能成为未来眼科护理的核心技术。持续探索和优化石墨烯在软性接触镜中的应用，必将为开发更先进的多功能设备铺平道路——这类设备不仅能监测健康状况，更能积极参与眼部疾病的治疗与管理。

文献:

https://doi.org/10.1002/admt.202502146

来源：材料分析与应用