CN109069266B - 人工晶状体和与之相关的方法和/或组件 - Google Patents

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Abstract

一种人工晶状体(IOL)具有透明光学器件和用于致动透明光学器件的至少一部分中的曲率变化的装置。人工晶状体(IOL)可具有由腔隔开的前部和后部，以及用于促使至少一个所述部分中的曲率变化的致动器，所述致动器由结合到所述IOL的支撑襻中的能量收集机构提供能量。

Description

人工晶状体和与之相关的方法和/或组件
技术领域
本发明的实施例涉及与这种透镜相关联和/或处于连接关系的人工晶状体和/或诸如支撑襻(haptics)等的部件。
背景技术
理论
适应性是人眼改变其光学能力的能力，以便聚焦在不同距离的物体上。随着年龄的变化，眼睛的这种能力逐渐丧失，导致患者使用阅读眼镜或其他矫正方式。这种失调的状况被称为老花眼，并且在所有人类中都有不同程度的发生，从45岁左右开始并且在65-70岁左右完全丧失。
根据亥姆霍兹理论的调节原理，在远视期间，睫状肌松弛并且穿过睫状体和晶状体赤道之间的周围空间的小带纤维被张紧。当大脑给出调节晶状体的神经脉冲时，睫状肌径向向内收缩并向前移动。这释放了小带中的张力。减少的带状张力允许晶状体的弹性囊收缩，导致赤道晶状体直径的减小和晶状体前后表面曲率的增加。曲率的这种变化是增加晶状体光学能力的原因，这使得能够聚焦在近处物体上。当睫状肌松弛时，晶状体赤道上的小带张力上升回其静止状态。晶状体赤道的张力增加导致晶状体变平，晶状体前后表面的曲率降低，以及未调节眼的屈光力降低。
根据亥姆霍兹的说法，老花眼是由于晶状体弹性随年龄增长而丧失所致。当小带松弛时，晶状体的形状不会改变到与年轻晶状体相同的程度；因此，老花眼是一种老化过程，只有通过改变晶状体或其囊的弹性才能逆转。这个理论是当前关于调节的最广泛的理论。
人工晶状体
人工晶状体(IOLs)通常植入患有白内障的患者体内。白内障是天然晶状体失去透明度的状况，导致各种程度的视力损害。在今天的绝大多数情况下，白内障手术涉及移除白内障晶状体，并且在其位置，通过眼睛外表面中的小切口插入或注射由一种丙烯酸或硅树脂材料制成的IOL。IOLs通常放置在晶状体的原始解剖位置的囊袋中，或在虹膜和囊袋之间的睫状沟中。
植入的大多数IOLs是单焦点的，因此大多数患者不能依靠独立视力进行例如阅读的近距离活动。由于天然晶状体已被移除，因此没有调节。
白内障手术的知识和广泛有效性的增加，以及不断增长和老龄化的人口，对提高视力结果的可预测性和质量的需求越来越高，因为患者将不那么需要依赖眼镜或其他形式的矫正器。这也引发了几次解决老花眼问题的尝试。
在这方面商业化的第一类IOLs是折射双焦点和衍射双焦点、三焦点和连续焦点IOLs，它们创建了从远距离到近距离对象的多个视网膜图像。与单焦点IOLs相比，在改善患者的近视和中间视力的同时，这些多焦点IOLs会引起各种光照现象，例如不同严重程度的光晕和眩光，对于衍射IOLs，也会降低每个焦点的对比敏感度。
第二种类型的IOLs，称为假性调节IOLs，通过使用各种机械机制，试图直接利用和放大睫状肌产生的力，以根据需要产生动态变化，从而模仿自然年轻的晶状体。这些IOLs不会降低从任何给定对象到达眼睛的光线水平，并且不会从不同焦距覆盖视网膜上的图像。该IOL类型包括使用各种杠杆和支点、流体填充腔以降低透镜组件的刚性，使用双光学器件或磁体。这些晶状体的缺点主要在于它们要么不产生读取所需的光学功率变化量，要么需要通过大切口植入，从而产生医源性角膜散光。
已经清空晶状体的囊袋通过从囊袋的赤道移出的间充质细胞、以及胶囊本身的纤维化和收缩经历了晶状体上皮细胞的再生过程。这改变了囊袋的机械性能并限制了其将机械力传递到假适应性IOL的可行性。在完全调节力作用期间的睫状肌收缩达到大约0.1毫米每屈光度的睫状肌环直径(Richdale等人；Invest Ophthalmol Vis Sci.2013；54：1095-1105)。在白内障或屈光性晶状体交换手术后，由于保留在适当位置的囊状结构中的残余刚性，上述值可能较低。然而，已发现白内障手术后睫状肌运动增加。
最近，已经描述了另一种类型的晶状体，其使用电能来激活由液晶物质制成的晶状体，然后改变晶状体的折射率，从而引起光学功率的变化。这些人工晶体根本不需要任何运动，但目前不灵活，需要通过大切口进行输送。
生物医学植入物中的电活性聚合物
聚合物由于其生物相容性，特定应用的机械性能以及相对容易和便宜的制造方法而用于各种医疗装置中。介电弹性体已经用于人造肌肉研究，并且由于其柔软性和高泊松比，每单位静电力提供非常大的伸长率。压电聚合物已用于生物医学装置中的有源元件，例如超声换能器和传感器。
这些装置中的大多数都是毫米级，并且包括诸如电源的附加部件，这进一步增加了植入物的尺寸。这是一个相对未开发的领域，看似巨大的潜在好处在于创造利用电活性特性的结构，以最大化每个可用于该装置的空间的机械位移。目标是通过在这种结构的外部边界处感应电压，更有效地在由介电弹性体或压电聚合物形成的结构和装置中产生空间位移。
然而，需要大电压来产生可用于医疗植入物的大的相对应变。解决方案可以是减小电活性元件的厚度，可能是微米级和纳米级尺寸，因为跨越这种元件的电场与元件厚度成反比。以这种方式，应变可以保持很小但累积位移很大。这里存在一个可能的障碍，因为极小的结构可能不适用于制造或产生足够的这种绝对位移。尽管如此，似乎还有许多未开发的工具可以用来克服这一领域的挑战。
US2011/0142806A1描述了电纺压电聚偏二氟乙烯(PVDF)作为干细胞培养和组织工程应用的支架的用途。然而，PVDF不是最终工程组织的一部分。
US 5522879A描述了在收集器上的静电纺丝PVDF的结构，并且可以用作神经或血管假体。
在WO2014100259A1中，公开了一种压电聚合物植入物，其充当贴片，该贴片经受弯曲并通过加热、电信号或药物输送来处理其附着的组织。
US 7128707 B2涉及电活性聚合物作为人造肌肉或肌肉贴片，
US2011/0152747A1公开了一种由光电层覆盖的电活性聚合物制成的医疗装置。
压电聚合物也被描述为能量收集装置。在US2011/0275947A1中，PVDF用作心脏植入物的动力源，利用心脏的收缩和膨胀的自然运动来产生内部电压。
WO 2015123616 A1公开了一种用于检测睫状肌运动的振动传感器。该器件是薄膜压电聚合物，安装在硅基底上的一对电极之间呈悬臂结构。
US20140192318A1是用于检测睫状肌中的电活动的外部装置。
US20140240658是安装在眼科晶状体上的传感器，其利用电源、电源管理电路、时钟生成电路、控制算法和电路以及晶状体驱动器电路来检测化学或光子刺激。
US 2007/0260307 A1描述了一种由介电弹性体致动的IOL。
US 8834566 B1描述了具有一对电极环的IOL，所述电极环通过吸引改变夹在两个透镜之间的流体介质的曲率，也产生轴向平移。然而，该方法可能受到位移的限制，因为电极不是透明的或柔性的而不覆盖光学器件的大面积区域。
能量收集的一种更有前景的方法是摩擦电效应。两种间歇性接触的材料产生接触带电，使电荷从一个传递到另一个。在接触期间形成化学键，并且通过静电感应在材料之间通过电荷来均衡电化学电势。在分离期间发生类似的过程，尽管电荷通常与接触不同。然而，当一种材料是驻极体时，具有准永久电荷，因此允许电荷在相反的导体上积累，接触本身可能不是必需的。(S.Niu，ZL Wang，摩擦电纳米发电机理论系统，纳米能源2015))。
US2014/0084748A1和US2014/0246950A1是这种摩擦电纳米发电机的示例。
发明内容
结合系统、工具和方法来描述和说明以下实施例及其方面，这些系统、工具和方法旨在是示例性和说明性的，而不是对范围的限制。
在一个实施例中，提供了一种人工晶状体(IOL)，其包括透明光学器件和用于致动透明光学器件的至少一部分中的曲率变化的装置。
在可能与前一实施例组合的另一个实施例中，还提供了一种人工晶状体(IOL)，其包括前部和后部，可以是多个前部和后部，可以是透明的光学器件部分，由腔隔开，可以有多个在任何两个所述部分之间形成的腔和每个部分至少部分地由透明材料形成，以及用于促使至少一个所述部分中的曲率变化的致动器。
在可能与前一实施例组合的另一实施例中，还提供了一种人工晶状体(IOL)，其包括透明光学器件和用于促使透明光学器件的至少一部分中的曲率变化的致动器，其中致动器包括具有交叉电极的堆叠的电活性材料层(EAM)。
在可能与前一实施例结合的又一实施例中，提供了一种用于连接到前述实施例中的至少任一个的人工晶状体(IOL)的光学体的支撑襻，其中支撑襻包括能量收集机制。
除了上述示例性方面和实施例之外，通过参考附图并通过研究以下详细描述，其他方面和实施例将变得显而易见。
附图说明
示例性实施例在参考图中示出。这里公开的实施例和附图旨在被认为是说明性的而不是限制性的。然而，当结合附图阅读时，通过参考以下详细描述，可以最好地理解本发明的组织和操作方法以及其目的、特征和优点，其中：
图1示意性地示出了本发明的人工晶状体的一个实施例；
图2-2c示意性地示出了本发明的人工晶状体的各种实施例；
图3a-3e示意性地示出了本发明的人工晶状体的另外的实施例；
图4至6i示意性地示出了本发明的人工晶状体和/或支撑襻实施例的各种部件；
图7示意性地示出了说明本发明的人工晶状体和/或支撑襻实施例的各种可能组件的流程图；以及
图8a-8c示意性地示出了与人眼元件相关的人工晶状体和/或支撑襻实施例的可能布置。
图9a-9b示意性地示出了与人眼元件相关的眼人工晶状体和/或支撑襻实施例的可能布置。
具体实施方式
电活性致动透镜元件
在第一方面，本发明通过IOL解决了老花眼的问题，IOL的一部分由光学透镜元件构成，由光学透明材料制成。该透明材料可以是压电材料或介电弹性体。
在本文的讨论中，术语透明透镜元件，光学透镜元件和膜指的是相同的部件。此外，在本文讨论的本发明的各个方面中，术语“透明”可以指对至少90％的入射可见光是光学透射的。
压电材料在施加电场时会发生偏转，这取决于场的方向和给定方向的材料的耦合系数。介电弹性体是被动的，可最小程度压缩的材料，当夹在两个柔顺电极之间时，可以将带电电极之间的静电吸引或排斥转换成机械能。这是通过改变层的厚度来完成的。引起面内应变，改变弹性体的表面积。
当这种电活性层在其中形成有方向偏压时，例如在凹凸或凸凹透镜中，在层边缘具有固定边界条件，该力导致层在偏压方向上偏转。
电活性材料的膜可以由模塑或挤出的片材浇铸成型、注塑、拉伸或压制，并切割成适当尺寸，用熔融颗粒电喷或旋涂、或从基材上的溶液或任何其它合适的方法获得厚度、极化方向性(在压电材料的情况下)和透明度，这是本领域技术人员已知的。
透明透镜元件的一个或两个表面与电极接触。
在一个或多个实施例中，电极是透明的，并且依次涂覆或连接到透明电极层和/或压电/介电弹性体元件的另一高折射率或不同折射率的透明材料。该层的目的是在制造过程中用作预先制备的基板，并增加周围房水和透镜组件之间界面处的光学功率。
在另一个实施例中，透明电极的折射率大于压电元件的折射率。
电极也可以是不透明的，并且保持在透明光学器件直径之外。
在另一个实施例中，电活性材料可以覆盖透镜表面的某一部分，使得电活性元件形成为环。环的较小内圆的直径可以是1微米至6毫米(其中偏转力在透镜元件的边缘处产生)。
在适用于大多数实施例的本发明的一个方面，电活性材料(EAM)和电极优选覆盖透镜表面的基本上整个部分，并且所述EAM和电极基本上是透明的。这种完全覆盖优选地优化致动器的位移并因此改变至少一部分透明光学器件的曲率以及IOL的光学功率。
图1示出了光学体100的基本示例。光学体100在其周边包括厚环110(在截面中示出，厚度可以在约100-500微米之间)，其附接到光学体的透镜120。透镜(可能包括环)可以由类似于普通人工晶状体材料的例如疏水性丙烯酸、亲水性丙烯酸、硅等透明聚合物(130,140)构成。在该实例中，透明聚合物位于致动器的两侧，但是在一些示例中，致动器可以形成或位于一个或多个透明聚合物的一个外侧上。在一些示例中，致动器可以形成透明光学透镜120而没有任何聚合物，例如与其相关联的聚合物130,140。
至少在某些实施例中，聚合物层130,140可以在制造过程中用作预先制备的基底，尤其是为了增加周围房水(房水是充满眼球前房和后房，夾在角膜和晶状体之間的透明液体)和光学体之间的界面处的光学能力(其也可以是被称为透镜组件)。
在一个实施例中，这种聚合物层和/或基底层中的一个或多个可以包括聚合物壳或容器，其填充有相对柔软且柔顺的流体或软凝胶，从而可能不妨碍致动器的移动。聚合物壳的材料可以是疏水性丙烯酸、亲水性丙烯酸、硅酮等中的至少一种。壳体内的流体或软凝胶的材料可以是硅油、弹性体中的至少一种，例如：聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其可以是光学透明且柔软的。
所用弹性体类型优选具有相对高的伸长率(在室温下测量可能高于100％)和低肖氏硬度(例如根据ASTM D2240测量)。材料柔软度的替代度量可包括具有低杨氏模量。在一个实例中，低肖氏硬度可能在约10[肖氏000]至约100[肖氏00]之间，优选低于约70[肖氏000]。在一个实施例中，肖氏硬度的下限可以选择为约30[肖氏000]，从而在壳体的破口被不利地形成的情况下，限制壳体内的物质分散在眼睛内的风险。
致动器可包括分别为负和正的电极(可能至少部分透明)131和132；例如由PEDOT：PSS制成。致动器包括电活性材料层(EAM)133，其在一个实施例中是压电聚合物，也是透明的，例如由PVDF制成。在另一个实施例中，EAM 133可以由介电弹性体制成，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或光学透明且柔软的硅氧烷弹性体。所用弹性体类型优选具有高撕裂强度和伸长率以及低肖氏硬度。箭头134表示极化方向(如果使用压电材料)，在这种情况下平行于电场方向。尺寸T2是透镜120的总厚度，例如在1和400微米之间。T1是133的EAM层的厚度，例如在1-1000nm之间。可能地，电极厚度E1和/或E2可以达到T1的1个数量级。例如，对于T1为0.5微米，E1和/或E2可具有0.5微米至5微米的厚度。
在本公开的上下文中，包括和/或与致动器相关联的透镜也可以被称为致动透镜。
通过在与EAM接触的薄电极131和透明电极132之间施加电压，可以改变该透镜的曲率。电极材料可以散布在透镜的透明光学器件上，然后优选地可以是透明的，或者与透镜的不同区域接触，然后可以不必是透明的，例如当使用银纳米线/纳米颗粒作为电极材料时。
通过眼模型计算曲率变化，该眼模型考虑了眼睛的生物特征参数，在文献中公布并且是本领域技术人员已知的。
这样的眼模型可以是Navarro-Kooijman(Navarro R，Santamaría J，Bescós J非球面人眼调节依赖模型，J Opt Soc Am A.1985；2：1273-1281，A.C.Kooijman，“广角理论眼视网膜上的光分布”，J.Opt.Soc.Am.73,1544-1550(1983))、Liou-Brennan(Liou H，Brennan N.用于光学建模的解剖精确的有限模型眼J Opt Soc Am A.1997；14(8)：1684-1695)或本领域技术人员在人工晶状体设计中通常使用的任何其他眼模型。
在眼模型内，透镜被定义为在一种状态下提供大约0屈光度(“0D”)的有效焦距，在另一种状态下提供更高的光焦度，这样做可以根据施加到致动器的电压以动态方式在两种状态之间提供一系列焦点。这种更高的光功率可以是2.5D、3D、3.5D、4D或更高。
在图2中，左光学体100示出了处于静止状态或“0D”状态的主体透镜曲率的横截面视图。这可能是施加电压之前的情况。也就是说，在至少一些实施例中，在停止施加电压之后，透镜曲率优选地弹性地返回到其静止状态，其中，在基于介电弹性体的透镜停止的情况下，可以包括在EAM上放电存在的电压，并且在停止之后，压电透镜可能没有辅助地在EAM上衰减。右光学体100表示在一个致动状态的曲率，例如，在“4D”状态下，透镜将来自近物体的图像聚焦到视网膜上。当沿着光轴A前进时，该透镜的曲率可以是凸凹的或凹凸的(如右光学体100中所示)，并且可以在致动期间在这些状态之间改变。例如，静止状态可以是凸凹透镜，并且致动状态可以是凹凸透镜或保持凸凹。
可以实现凸凹和凹凸状态之间的翻转(或反之亦然)，例如在图2a中所示的致动器1200的实施例中可能与致动器120组合。这里，致动器1200被实施为包括介电弹性体材料。致动器1200具有前表面和后表面1201、1202。该图图示了在一个表面1202的至少一部分上的电极213上的给定极性(后部例如，负极性)的设置和在第二表面1201的至少一部分上的电极212上的相反极性。底部放大部分示出了用于向表面212提供电荷的接触点210(前部，正极性)。在这个例子中，前表面的周边在形状为不完全环形的独立电极211上具有负极性，在正接触点210周围有断裂。因此，如图2b-2c所示，后电极213和环形电极211开始排斥，从而产生致动器偏置在其周边偏转方面的翻转。在沿光轴A的方向上，致动器1200的左侧状态在翻转之前示出了凹凸形状。致动器1200的中间状态示出了翻转的外围区域216和中心区域217，其朝向翻转的凸凹形状变平，如致动器1200的右状态所示，以产生可能完全偏转的凸凹形状215。翻转可以根据调节需求逐步完成。这是因为静电排斥增加了由电极211限定的环形截面中弹性体的局部厚度，从而在透镜的中心区域上产生了面内拉伸应力，该拉伸应力将其拉紧成更平坦的曲率。
在本发明的一个方面，不同的最大近视矫正范围可能适合于不同的患者需要。这可以通过评估在针对给定患者的调节期间发生的可用运动范围并相应地调整致动器的响应来完成。
远视透镜和致动透镜布置
在另一方面，可以在眼模型内限定一系列透镜以描述用于远视矫正的光功率范围。在这种情况下，可以存在单独且独立的透镜，其被定义为提供适合远视校正的有效焦距，以及另一透镜，其是可动态调节的透镜，其可在如前所述的两种状态之间改变其曲率。
远视校正包括旋转对称和旋转非对称光学器件，例如复曲面光学器件。该远视校正透镜的形式可以是双凸、凸凹、凹凸、双凹或可以实现所需光学功率的任何其他形式。在对患者的眼睛进行的其他外科手术之后，所需的光学功率可以是小的校正。另外，透镜表面可以是非球面的，以这种方式用本领域技术人员已知的任何方式控制光学系统的像差。
图3a示出了凸透镜表面和凹透镜表面300、301的光学体布置的示例，其中凸透镜表面和凹透镜表面300、301为远视提供基线光学功率，在该示例中位于光学体布置3000的右侧的前侧。可能的，远视的基准光功率可以在前侧，以避免干扰虹膜和/或瞳孔。这里后透镜表面是凹凸302、303。可选地，如图3b所示，后透镜为凸凹304。此外，后透镜可以通过如图3c所示的桥接或连接特征306连接到远视透镜，该桥接或连接特征306包括或作为环110的一部分，如图1所示，环110提供将致动透镜固定在光轴上的必要刚度。在透镜之间是腔307，以防止致动透镜的运动受到干扰。在305(见图3c)中显示了处于“0D”状态的致动透镜的虚线轮廓。桥306可以设置通道或开孔(见图5b中的550)，以允许腔307与眼睛内的外部介质之间的流体连通。
在一个实施例中，这样的腔307可以填充有诸如硅油或软凝胶的物质，其具有与围绕透镜的房水不同的折射率，以便允许当在致动透镜中曲率半径改变时发生的光功率变化。在填充有硅油的腔的情况下，为了避免油泄漏到房水中，桥306中的通道可以通向流体贮存器308，从而允许硅油从腔连通到贮存器。
这样的配置是非限制性的并且取决于患者的要求，例如，如果患者已经经历白内障手术并且在囊袋中具有IOL。在这种情况下，可能需要后凹面以避免与主IOL接触，但是如果偏转很小则可能不是必需的。此外，远视透镜可以具有较低的屈光度，用于作为二次介入的小矫正。远视透镜当然也可以是该布置中的后透镜。在另一个示例性配置中，透镜被布置成具有用于远视的部分校正的前透镜，然后更近侧地是近视驱动透镜，然后是额外的后透镜以用于远视的剩余校正。该示例具有由三个透镜形成的两个腔。通过这种方式，较远的近视透镜受到远视透镜的保护，免受其两侧处理造成的损坏。
堆叠致动层
在另一方面，根据本发明的某些实施例的致动器可包括具有交叉电极的电活性材料层(EAM)的堆叠，所述交叉电极形成多晶型(multimorph)，以增加致动器的可能偏转并使得能够实现更厚的单个EAM厚度和/或更低工作电压。这是因为单个EAM在制造中可能难以处理，并且如果致动器和/或透镜的总厚度增加，则可以提高机械稳定性。
图3d示出了包括多晶型的多个层的典型示例。电极308在这里是正电极，EAM 309是聚合物元件，其可以是介电弹性体或压电聚合物。电极310在此是负电极。然后，另一EAM311是介电弹性体或压电聚合物、电极312是正电极、EAM 313是介电弹性体或压电聚合物、电极314是负电极。基底透明聚合物315和316可以是通常用于人工晶状体的材料，例如丙烯酸或硅树脂材料。在介电弹性体的情况下，图中的正电极和负电极静电吸引并压缩弹性体，产生面内应变，增加表面积并因此产生透镜曲率的变化。多晶型的多个层引起应变的累积，其对于给定的电场以放大的方式增加曲率。优点可以是降低所需操作电压的能力和增加元件厚度的能力，使得易于处理和对制造缺陷的敏感性降低。
由介电弹性体和柔性电极形成的致动器
对于夹在两个涂覆的透明电极之间的单个介电弹性体膜，t1可以定义总厚度，其中tel是每个电极的厚度，tmem是介电弹性体的膜厚度。
导致膜拉伸并因此增加其表面积的面内应力σinpl由跨越膜E的电场和介电材料εr的相对介电常数限定。这也被称为麦克斯韦压力：
Figure GDA0003097252290000151
其中
Figure GDA0003097252290000152
并且V是电压，ε0是真空介电常数。
对于圆形夹紧板的偏转，在偏转y大于膜厚度的一半的情况下，由Roark的应力和应变公式求解应力σflex(第七版，Young和Budynas，McGraw-Hill ch.11第448页)：
Figure GDA0003097252290000153
其中σflex是偏转应力，a是板的外半径，E是杨氏模量，t1是板的总厚度，
Figure GDA0003097252290000154
(在板的中心，是材料的泊松比，对于具有柔顺电极的软介电弹性体为0.5)，K4＝0.5。假定板是平的，这是合理的近似，因为初始曲率半径大2-3个数量级(R＞＞a)。
所需的偏转由当致动层静止时初始“0D”状态的矢状高度的差异和在不同外加电压下实现的各种致动状态来定义(“XD”，其中X表示某个屈光值，如“4D”)：
Figure GDA0003097252290000161
其中RXD是给定状态的曲率半径，yXD是给定状态下的偏转。这里，对球形(而非非球面)表面进行非限制性假设。
利用给定的y值，已知的膜尺寸t1、tmem和a，利用杨氏模量和相对介电常数的已知材料特性求解，可以找到满足σinpl＝σflex的电压。
对于具有交错和柔性电极的多个堆叠的介电弹性体膜，可以将多个层N引入等式中，使得每个层减少每个单独层的所需偏转，并相应地增加总厚度，使得：
Figure GDA0003097252290000162
和
Figure GDA0003097252290000163
对于给定的单独层，电场E不变，因为施加的电压与上述单层的情况相同。
图3e示出了在Liou Brennan眼模型的近轴形式或与其基本类似的致动透镜的“4D”偏转的模拟的示例。在此示例中，根据从50nm到100nm的各个层厚度绘制满足σinpl＝σflex的驱动电压。各种数量的层N用于示出增加的N如何允许减小致动电压和/或单独的层厚度。
用压电电纺纳米纤维形成的致动器
在本发明的另一方面，EAM可以是一种或多种压电微米或纳米纤维。在一个实施例中，可以通过静电纺丝将这些纤维施加到基底表面上的透明电极上。静电纺丝可以通过各种方法完成，例如近场静电纺丝、空气辅助远场或中场静电纺丝或使用辅助电极进行静电纺丝以引导纤维。
在这种情况下的目的是在表面上产生压电纤维的图案，使得它可以以沿着纤维长度累积偏转的方式偏转。
该纤维以与上述单个压电膜层的纤维直径(1nm至1000nm)类似的方式电纺，但是由于电纺丝过程，其极化沿纤维长度延伸，从而改善了极化方向性。极化方向沿平行于纤维长度尺寸的3方向。
这进一步增加了偏转矢量在所需方向上的尺寸。例如，如图4所示，如果电场方向E如在2方向上横向于光纤400，则可以实现剪切应变，导致如在2-3平面中的401中的偏转。根据所选材料的耦合系数(d24或d15)的符号，偏转可以是正的或负的。
图5示出了通过并排静电纺丝沉积在诸如透明丙烯酸聚合物的基板530的表面上的一对光纤500,510的短段。压电材料纤维500与电极纤维510一起电纺，使得在纤维之间存在界面表面540以产生电接触。由电荷504产生的电场处于“1”方向，并且极化方向处于“3”方向(503)。在这种情况下的应变将是围绕“2”轴的剪切，如同501那样。此处，根据耦合系数的符号，定义了围绕轴“2”的应变方向。基板520的厚度尺寸可以如上所述(1微米至300微米)。
电极510也可以是例如单独印刷，而不是并排电纺。
如果在一个实施例中将纤维图案化为连续螺旋，则这种应变可以围绕1轴产生旋转，并且当施加电压时可能在元件的径向方向上产生膨胀。图5c示出了光学体100，其上构造有螺旋形纤维。如图5c的细节A所示，光学体的中心区域575可以是螺旋沉积的起始点，具有第一电极或电接触点573。在这个例子中构造了一个并列的电纺压电材料571和连接到第一接触点573的透明导体570。螺旋的间距可以使得在每个螺旋臂之间存在间隙，使得在所述臂之间不存在电接触。示出了极化方向576。
螺旋沉积的终点(图5c的细节B中所示)可以再次与透明电极570与第二电接触点572接触。基底的外部到螺旋沉积的区域也是通过在电接触点573和572之间产生电压差，可以通过压电效应引起偏转，在螺旋的长度上累积。
在另一个实施例中，纤维是中空管，与固体纤维相比，通过增加耦合系数进一步增加纤维偏转的能力(Cheng-Tang Pan，Chung-Kun Yen，Shao-Yu Wang，Yan-Cheng Lai，LinLiwei Lin，JC Huang和Kuiao-Wei Wei，“近场静电纺丝增强了空心PVDF压电纤维的能量收集”，RSC Advances Vol.5，pp.85073-85081,2015)。
在另一个实施例中，纤维与作为芯材料的透明导体同轴电纺丝。
在另一个实施例中，纤维结构与透明导体同轴电纺，所述透明导体既作为芯又作为围绕所述压电材料的外层。
在另一个实施例中，并排压电导体纤维的每个螺旋(如图5c所示)被封装或部分封装(暴露电接触点)，并且螺旋形成堆叠，形成多晶型。
在如图5d所示的另一个实施例中，给定的电纺丝层的图案是一组同心圆的纤维582，每个纤维圈并排电纺，导电材料的纤维用作电极(如图5c所示)，使得每个纤维对从透镜的一个区段580开始沉积并且在另一个区段581处结束。在透镜外部，透明光学器件可以是正极583和负极584，纤维对581的起点580和末端是与之电接触的。
设备的结构概述
参照图6至图8c，将讨论与可与本发明所实施的各种光学体组合的支撑襻的各种实施例相关的方面。
支撑襻从光学体向着赤道接触区域延续，无论是睫状沟还是囊袋。
可以在主体的外围(例如，在上面讨论的环110和/或桥306中和/或其邻近区域中)创建各种开口或开孔，以允许房水渗透到光学体(例如，主体3000)的两个透镜之间的空间(例如，腔307)中。由于制造原因，这可能是有益的，并且还可以避免在该空间中具有增加总体体积的额外材料。
图5a示出了C形环设计支撑襻554，其中光学体555在其周边上开窗。在该示例中，光学支撑襻接合部553在支撑襻和两个透镜之间提供支撑，如图5b中的前透镜551和后透镜552所示。在图5b(作为外围视图)的视图的放大部分中示出了开窗550。
压电运动传感器和支撑襻
睫状肌的运动通常表征为两种信号类型，即与睫状肌的主要收缩和扩张(即调节性反应)相对应的1Hz以下的高振幅、低频信号集，以及对应于各种背景肌肉反应低振幅、高频率范围。这些可能是例如身体对疲劳的反应；咖啡因；眼压波动；肾上腺素或瞳孔收缩，作为对环境光变化的反应。眼球运动或扫视的小扰动也可能是睫状肌高频运动的原因。
在本发明的一个方面，运动传感器可以结合在支撑襻中。该运动传感器可以具有多重作用，因为它检测调节响应的运动，取决于调节刺激的各种幅度的运动，并且还检测肌肉不断经历的较高频率的小运动。
如图6所示，是运动传感器600的实施例，该运动传感器600在该示例中包括多个高度对准的压电聚合物纤维(形成纤维阵列)，包括在支撑襻601中，该支撑襻601连接到光学体602(这里示出了传感器被包括在一个支撑襻中，然而，传感器600可以包括在这个示例中的多个支撑襻中，可能包括在所示的这个四环支撑襻设计的所有支撑襻中)。
在图6中和图6a中的放大部分中，相应地示出了传感器600，其包括多个高度对准的压电聚合物纤维，与两个电极通孔611和612连接，两个电极通孔611和612与控制单元613连通，在图7的流程图中示出具有各种组件的可能实施例。睫状肌的运动在与其接触的支撑襻环上施加力，并且在传感器实施例600中在纤维上产生可能的屈曲、弯曲和/或剪切力。这在纤维上感应电压，其高到足以克服在致动透镜中感应运动和/或收集能量以维持致动状态所需的阈值。
在一个实施例中，运动传感器600也可以采取沉积在薄基片上的多个纤维的形式，或者如图6所示，沉积在支撑襻上，或者如图6b所示由支撑襻和光学体限定，其中纤维可能形成为“蛇形”的锯齿形，在支撑襻和光学体之间不断地来回移动。睫状肌运动的方向，特别是括约肌的环形肌纤维主要与支撑襻和径向同平面，因此传感器纤维的方向优选地沿该径向。
电纺压电材料可以形成单根纤维或一束纤维，可以是缠绕的、编织的或平行的。
图6b示出了夸张地稀疏(用于说明目的)蛇形电纺纤维(或纤维束)622的示例，其连接在支撑襻和光学体之间(仅在透镜的一侧上示出)，并且在620和622具有两个电触点。蛇形形状可以通过沿着支撑襻和光学设计草稿的轮廓的CNC型运动来沉积。在一个实施例中，纤维可以沉积在薄基底上，然后一旦纤维沉积得足够厚以支撑其自身重量就作为牺牲层去除，或者留在原处。
压电材料可以与导电材料并排或同轴地电纺丝，或者作为复合材料如PVDF-TrFe、PVDF/氧化石墨烯和PVDF/MWCNT。如本领域技术人员已知的，这可以增加材料的β相含量，并减小纤维直径。
除了上述形式之外或代替上述形式，运动传感器的纤维可以覆盖支撑襻的任何部分。
在本发明的一个实施例中，描述了支撑襻，其是保持光学元件的光学体的延续。这些支撑襻的形状是机械地支撑光学体并保持整个透镜的轴向位置以及其在光轴上的中心位置。同时，至少一部分支撑襻应该是柔性的，以便它们折叠或弯曲，首先用于通过角膜或角膜缘中的小切口输送，并且足以使睫状肌的能量传递到运动传感器。
在各种实施例中，整个支撑襻被成形为普通或改良的C环形状、4个开槽或未开槽的环、3个开槽或未开槽的环、开槽或未开槽的板支撑襻，这是本领域技术人员已知的。
在一些实施例中，所述支撑襻(可能由丙烯酸或硅树脂材料或类似材料形成)形成为在靠近透镜的光学体的基部中更厚，以防止由于眼睛运动或睫状肌运动而引起的透镜光学结构的不希望的变形。替代地或另外地，厚度可以保持与基部中的基本相似或者根据设计考虑而改变，并且另外可以采用将支撑襻的弯曲点移动到距透镜的光学结构一定距离的几何形状。例如，在图6b中所示的实施例中，弯曲点625示出为远离基座623以在点625附近形成弹性区域，离光学体较远的支撑襻臂627可相对于更接近光学体的腿629移动。
在一个实施例中，诸如纤维622(或图6a中看到的同等纤维600)的纤维阵列可以形成在支撑襻区域(例如，臂627)中的弯曲点625之外，以感测支撑襻更易受运动影响的区域中的运动。
图6c示出了成角度的支撑襻，以避免虹膜磨损，这是平面或零度角度IOLs的龈沟放置的常见风险。
在包括狭槽的支撑襻实施例中(参见例如图6中)纤维可相应地沉积在狭槽上，使得睫状肌运动在纤维中产生弯曲并且在纤维的每一侧的电极中产生电流。可选择地，代替槽，一些支撑襻可以以Z字形或Z形(未示出)形成，并且压电纤维可以在径向方向上跨越支撑襻之间的间隙沉积。在另一个实施例中，压电纤维沿着支撑襻的形状(可能沿着支撑襻的轮廓)而不是和/或除了间隙之外还沉积。以这种方式，纤维也对除屈曲之外的偏转模式起反应。在该实施例中，每根纤维在其每个末端具有一对电极，具有或不具有并排的同轴或核-壳电纺电极。
在另一个实施例中，传感器是压电薄膜或多晶型膜堆叠，其在支撑襻上涂有交叉电极，因此特别是收集由眼睛和睫状肌的各种运动施加的多种力模式。该膜也可以作为相邻的单层或多层膜形成于支撑襻之间的间隙，或者形成为相同的条带。
在另一个实施例中，支撑襻本身由电纺纤维(如上所述，以对齐或非对齐的方式)形成，可能形成在柔性导电基底上，使得传感器或收集器的关注大大增加。增加收集器单元的关注可提高每单位体积的能量增益。这是通过减小纤维之间的间距以将它们填充到每根纤维的较小表面积中(即，形成由相邻沉积的纤维产生的3D支撑襻结构，其间具有基本上有限的间距)。纤维可以沉积在单独的线段中或者以光栅或锯齿形状连续(尤其是在支撑襻的前表面和后表面上)，或者以弯曲梁转换的配置(在支撑襻垂直于睫状肌运动方向的平面上)。
这种纤维可以通过将静电纺丝注射器、喷丝头或尖端安装到5或6自由度机械臂上，或者安装到5轴加工中心(例如磨机)上，或者通过将注射器安装在线性滑动件上并将基板支撑襻安装到4轴(3轴和1个旋转轴)上来沉积。支撑襻需要在喷丝头或注射器或尖端和接地电极之间。以这种方式，可以沉积几层。在这种情况下，纤维用作简单的例子，因为通过改变喷丝头的尺寸和形状，可以形成不同的电纺材料横截面，例如条带。
或者，可以将电纺纤维或膜直接沉积在模具上，然后将所述支撑襻包覆成型，并且以这种方式也包封所述纤维。
封装可能是防止由于与房水接触引起的漏电流的要求。
摩擦电能量收集和运动传感
在另一个实施例中，能量收集机构可以利用摩擦电效应或接触带电。不同的材料具有不同的电荷亲和力，并排列在摩擦电序列中。列表正端的材料与列表负端的材料之间的接触通过在它们之间传递电荷，可以存储在电容器或电池中。已经提出，材料的不相等的有效工作能级使得能够通过肖特基和/或隧道效应从一种材料的能级到另一种材料的能级提取电子。一般规则是，对于两种材料，当两种材料之间发生接触时，具有较高介电常数的材料将带正电荷。其他人则认为，某些材料会转移离子而不是电子。
在本发明的一些实施例中，不同材料的合适配对可以通过(例如)松弛睫状肌彼此压缩或摩擦，使得摩擦力或粘附力以及随后的肌肉收缩期间的分离力，创造材料的周期性带电。
通过使用具有驻极体性质的材料，例如含氟聚合物(其实例可以是聚四氟乙烯、氟化乙基化丙烯或全氟烷氧基烷烃)，可以避免材料之间机械接触的必要性。在这样的材料中，表面或空间电荷存储是可能的并且可以长时间保持，因此材料之间的摩擦电荷转移对于静电感应可能不是必需的。
负电荷亲和材料，如正极化β相PVDF、正极化β相PVDF-TrFe、PDMS、PET、PTFE、FEP和正电荷亲和材料如PHBV、负极化β相PVDF、负极化β相PVDF-TrFE、尼龙可用作非限制性实例。
相对材料的端部上的导体将电流引导到存储部件(例如图7的部件702)和A/D转换器例如转换器701。在一些实施例中，能量收集器本身可以用作存储部件。
带负电和带正电的材料优选被包封，使得含有电解质的房水不与能量收集部件接触。电解质可以放电和/或屏蔽表面，从而阻止它们的有效功能。
接触的表面积越大，增加转移的电荷越多。在一个实施例中，接触的两个表面由电纺纤维垫组成，其是随机沉积或对准的。垫可以沉积在导电基底上，例如PEDOT：PSS或任何其他导体。或者，表面可以是薄膜，微图案化以增加表面积。这可以通过创建具有高粗糙度的模具并将材料浇铸到模具中来实现。模具可以是例如用盐酸处理的金属模具，铸造材料可以是PDMS、含氟聚合物分散体或PVDF。支撑襻区域透明度不是必需的。
由于能量收集部件通过其封装而气密密封以避免与房水中的电解质接触，因此可以使用具有更高导电性的金属导电材料，例如银或金膏、涂层、纳米颗粒或纳米线等。
相对更刚性(但仍然是柔性的和可折叠的)基底可以支撑能量收集部件，可以对其施加睫状肌力。这种刚性引导大部分应变将部件驱动在一起，从而实现最大的能量输出。
图6d-f示出了摩擦发电机的横截面。支撑襻前侧上的基板材料634用作定子，以避免虹膜磨损。作为动子的后侧的移动基板633可以移动，例如，在箭头632指定的方向上移动。在一个例子中，装配在沟中的整个组件的厚度在50-250微米之间。
在所提到的两个层634,633之间可以分别设置后侧和前侧上的导电层或电极635和636。每一层635、636可沉积有负电荷亲和性和正电荷亲和性材料的纳米结构(可能由电纺纳米纤维或可能由在模具中浇铸形成的其他纳米结构)，在摩擦电序列上具有不同位置。例如，负电荷亲和材料637可以是例如电纺PVDF纤维或含氟聚合物驻极体并且正电荷亲和材料638可以是例如PEDOT、PEDOT：PSS、PET、尼龙、银纳米线中的至少一种。
在图6d至6g中，示出了对于纤维直径的一个小扰动的运动。该运动可引起从带负电荷的637的能级到带正电荷的638材料的电子隧穿，在前侧电极636上产生正电荷653。在图6d中，负电荷亲和材料637可以与正电荷亲和材料638接触，并将电子传递给它。引起负电荷亲和材料中的净正电荷和正电荷亲和材料中的净负电荷。由于两个表面637和638暂时在其表面上完全接触，所以总电荷平衡并且电流基本为零。
当向上方向632上的横向力(如图6e和6f所示)施加在可动件上时，在负电荷亲和材料和正电荷亲和材料之间逐渐分离，在两侧的纳米结构之间形成间隙。转移的电荷保留在每种材料中，因为它们是绝缘材料。既然表面不再接触，则在电极层之间形成电势。
如本领域技术人员所知，电流与电压随时间的变化成比例。各个图6d至6g上方的曲线图示意性地示出了每个时间点的电流630。为简单起见，未示出形成前述能量收集电路的一部分电极之间的负载。
如上所述，当没有移动引起电压变化时，图6d中的电流631为零。接下来，在图6e中，沿箭头632所示的方向移动，电流639随着接触面积在图6f中朝向完全分离的减小而变大，并且达到最大电流640。图6g示出了电流减小641随着接触区域再次逐渐增加，总体电荷最终在完全重叠时平衡。因此产生交流电。
或者，在另一个实施例中，材料637或638中的一个可以是导电材料，可能在摩擦电序列中具有不同于相对绝缘材料的位置。为简单起见，负电荷亲和材料。由于负电荷亲和材料的导电性质，上述电荷不平衡，其中当材料脱离接触时电荷被保持，因此电荷不平衡被减少，并且此时电流返回到零。实质上，在这种安排中，收获频率有效地加倍。另外，与前述实施例中的上述电极-绝缘体-绝缘体-电极布置相比，本实施例的电极-绝缘体-电极布置的构造可以更容易制造。在用作材料637或638之一的驻极体材料的情况下，当睫状肌在完全调节力下达到最大位移时，可能优选的是材料的最大重叠以维持恒定的DC电势以便保持透镜的启动状态。
图6h和6i是透镜可以在支撑襻上采用集成摩擦电能量收集机构的可能形式的实施例的非约束性示例，在这种情况下是板支撑襻。成角度的支撑襻645接触光学体，例如上述实施例100,3000，可选地包括前透镜648、后透镜647和填充有房水649的腔，房水649可通过开窗口646进入。尽管基于光学体布置(例如布置3000)描述了光学体，但是也可以是单个透镜布置，例如光学体100中的单个致动透镜。
安装在支撑襻上并且封装的(封装材料未示出)可以是薄层643，并且在支撑襻和该层(例如由丙烯酸材料制成)之间可以是如图6d-g所示的上述能量收集器，形成电极层、带正电的纳米纤维层、带负电的纳米纤维层、最后是另一个电极层。优选密封地封装纳米纤维，基本上不与水溶液中的电解质接触。若干突起644可以与睫状沟接触，在周围组织上产生最小压力并使能量收集机构适应各种直径的睫状沟(例如，对于不同的患者)。睫状肌抵着突起644，然后沿着双箭头652的方向放松(即，在箭头652中向下推动和放松向上)，导致纳米纤维之间的间歇接触，产生如上文关于图6d-g所述的电荷。由于密封剂材料的弹性，睫状肌的松弛增加了其直径，允许能量收集机构返回其先前的形状。
图8b示出了透镜光学和支撑襻的可选实施例的横截面，其具有滑动封装的移动器800和定子802。移动器800在这里可能以突起结束，可能弯曲突起(见图8b右侧的放大部分)，以便与睫状肌接触，而触觉的定子部分802在睫状沟内。本实施例能够支持透镜，同时允许机构的运动而不引起相对于视线的偏离。角度803(Ang 1)和长度尺寸804(D2)是睫状沟的典型尺寸，其中Ang 1大约为65°，D2大约为0.5mm。
图8a示出了图8b的实施例在眼睛中的位置。支撑襻的定子部分与睫状沟820接触，而动子部分822优选地与睫状突821的前部接触。其他结构是虹膜823、小带825和囊袋824填充晶状体时的轮廓，晶状体在超声乳化后不再存在，使囊袋824塌陷。
睫状沟和睫状突都在调节期间径向向内(即朝向光轴)移动，释放了小带纤维中的张力。在定子和动子之间具有尽可能大的相对运动可能是有益的，这直接影响所收集的能量。在一个实施例中，支撑襻的定子部分设计成吸收睫状肌的运动，使透镜保持在相同位置，同时动子将睫状肌的力传递给能量收集机构的运动。
吸收运动的一种可能的方法可以是通过在定子支撑襻802的外径向部分处形成弹性构件830，这里可能示出具有如C形环支撑襻的悬臂状形状(参见图8b)。支撑襻的移动器部分831在这里与靠近与睫状肌的接触区域的定子802分离，使得弹性构件830吸收来自睫状沟中的肌纤维的运动，以基本上允许定子802保持在适当的位置，同时暴露于睫状肌运动(优选地是所述肌肉的前部)的移动器831被移动以促进能量的收获。
可以实现类似的实施例，用于将人工晶状体植入囊袋中(参见图8a中的824)，其中能量收集机构可以定位成利用由睫状肌引起的囊袋组织的运动来对抗支撑襻。在图8c中，示出了这种情况，其中支撑襻846的定子部分可能定位成与囊袋的赤道847接触，并且移动器843可以与囊袋的前部840接触。并且囊袋的后部842(此处仅示出与胶囊的前部840接触)并且在附加定子844附近移动，以吸收胶囊在轴向方向上的伸展运动(所示的运动方向)通过箭头845，胶囊沿箭头848所示的横向拉伸。在该图中未示出囊破裂。
本质上，能量收集部件的功能机制，无论是植入睫状沟还是囊袋，都是基本相似的，在这个例子中，机械力的矢量和定子和动子的最终几何形状不同，以最好地利用这些力。
可调节的支撑襻
在一些实施例中，支撑襻的整体结构的总直径可以是可调节的，使得它们可以配置成在与不同的睫状沟或囊袋尺寸接触时施加基本相似的力，例如通过锁定的滑动机构。一旦达到理想位置，就会以刚性的方式锁定。
图9a和9b示意性地示出了本发明的一个方面，其中可以提供一个实施例，其中支撑襻900(可能包括能量收集部件也可以不包括)可以通过可调节的连接装置901连接到光学体100。连接装置901可包括支撑襻上的第一构件907，第一构件907被配置成与光学体100上的相应第二构件908连接。
该示例中的第一构件可采用具有齿状结构的支柱形式，所述结构构造成容纳在第二构件上的相应齿构造中以形成棘轮状啮合机构904。
外科医生可以通过促使第一和第二构件相对于另一个滑动一个来操纵支撑襻相对于光学体的位置，以便使支撑襻略微偏向远离或朝向镜体。在可能的棘轮状啮合机构904中，这可以通过稍微扩大光学体的支柱上的齿之间的距离来促进，以便使支撑襻支柱的齿能够前进到后续位置，使得支撑襻能够偏离光学体更近或更远的后续位置。
这种可调节的连接装置901可用于将光学体连接到包括能量收集装置的支撑襻上，以便能够精确调节支撑襻的位置。为了优化肌肉施加的力，例如睫状肌在移动器(例如移动器800)上，使得它可以有效地移动抵靠定子(例如在先前实施例中看到的定子802)。这种精细调节一方面能够相对于肌肉微调支撑襻，基本上不会改变支撑襻(可能具有能量收集机构)相对于特定患者的给定睫状肌直径的光学体的整体位置。
在一个实施例中，可调节的连接装置可包括在第一构件907上的止动件902和903以及在光学体的第二构件908上的相应的止动件905，以便限制调节范围并且由此避免例如支撑襻从视神体脱离。
限制调节范围可以有助于在给定范围内调节IOL的总直径，可能在约9.5mm和约13mm之间，覆盖所有年龄的大多数患者的典型要求。该实施例在儿童或老年患者中植入IOL的情况下可能是有利的，其中眼睛的自然生长可以改变睫状肌直径，或者可以进行弱化睫状肌的矫正，例如，在以后的生活中的辅助程序。
在一个或多个实施例中，附加的柔性支柱可以结合到光-支撑襻接合部中，以允许能量收集机构和光学体/致动机构之间的布线或其他电连通装置。
此外，所述可调节支撑襻可以与任何IOL结合实施，不一定具有能量收集机构或致动透镜，其中使用标准工具(例如Sinskey钩、Kuglen钩、斩波器、刮刀、支架或镊子)的简单外科手术可以通过增加所述支撑襻和光学体之间的间隔距离以使IOL适合各种睫状沟和/或囊袋尺寸来调节透镜的总直径，预先满足例如进行术前超声生物显微镜(UBM)测量以确定所述大小的需求，并减少对IOL的各种直径尺寸的需求。
信号处理、储能和控制
运动传感器700的实施例在图7中以集总图示出。
在一个实施例中，由运动传感器700收集的能量可以存储在能量存储部件702中，例如小型化电容器或电池、或者多个电容器，其嵌入透明光学器件外部的透镜材料中，并且用作电源。
在本发明的一个实施例中，致动透镜705的操作由嵌入透镜主体材料中的微控制器703控制，该微控制器703位于透明光学器件直径之外的区域中。
可以采用模拟到数字(A/D)转换器701来量化来自运动传感器700的输入电压，可能是通过从能量存储部件702接收能量来实现其功能。量化信号又可能传递给数字信号处理器(DSP，未示出)，用于将正确的逻辑传递给微控制器703。可能地，微控制器703可以定义所述逻辑。此外，微控制器703可以从存储器702接收能量以用于其功能。可以根据这些量化步长中的一个或多个的值来定义在致动透镜中引起运动和/或维持致动状态所需的阈值。
关于输入信号的量化步长的数量，将4D作为焦点的最大变化的标称值，并且在透镜平面处的最大可接受的折射误差为0.5D，A/D转换器可以具有8个步骤，或作为最低要求的3位转换器。4位转换器提供0.25D步长，这可能是优选的。在该分辨率下，从患者感知到量化误差几乎没有意义。
一旦运动传感器700感测到调节响应，电信号就被引导到微控制器703，微控制器703又使能量存储部件702将电流引导到致动透镜电路705中。这产生了致动透镜所需的偏转和曲率变化。在介电弹性体致动器的情况下，信号发生器707可以根据压电致动器的共振频率或DC信号产生AC信号。在一些情况下，高于某一步骤的过剩能量未达到后续较高步骤的水平可以在能量存储部件702中保存，并且不用于在致动透镜中产生偏转和曲率变化。
低通滤波器可以包含在微控制器逻辑电路中，以提供用于致动的清晰触发信号，根据输入的符号，可以是远距离或近距离调节。
致动透镜的运动还将通过反压电效应或通过在致动期间由板间隔距离的变化引起的电容变化产生电信号。这样的信号将导致反向电流，也由电路706引导到能量存储部件。二极管可用于此目的。因此，可以节省致动透镜所使用的能量。
所有电路可以是透镜的一部分并嵌入透镜材料中。
对于基于压电或介电弹性体的透镜，可能需要对不同的调节要求产生不同的曲率响应。在基于压电的透镜的情况下，这可以通过以可能具有不同幅度和/或DC偏移的一个或多个AC频率供电来实现，由可能类似于信号发生器707的信号发生器提供。在基于电介质的透镜的情况下，跨越电活性材料层(EAM)的不同幅度的DC电压可以产生这种变化的曲率。
在基于压电的透镜的实施例中，AC电压的提供可以具有与所需或目标透镜曲率相关的非零(可能是负或正)DC偏移，这种DC偏移促使透镜远离其静止状态，可能对抗透镜弹性起到促使透镜回到静止状态的作用。频率可能取决于可变因素，例如透镜的硬度和镜片的几何形状。
不同的调节反应可以表达在睫状肌环直径(CMRD)的变化以及作为睫状突一部分的其他结构的变化中，传感器可以检测到这些变化。在一个实施例中，通过使用前段光学相干断层扫描(AS-OCT)预先测量给定患者的典型运动幅度，建议对睫状肌的每个离散位置对EAM层偏转的阈值进行校准和/或设置。这可以在去除白内障晶状体后立即进行。在非约束性示例中，阈值水平的这种“分级”可以预先确定，例如，通过在每屈光度(D)改变CMRD中使用0.02mm到0.105mm之间的平均值。可能地，阈值的设置可能受到诸如制造和/或设计考虑因素等因素的影响，例如源自EAM和/或基底层厚度、EAM和/或基底层的数量(等等)。
近红外能量收集
在能量收集方法的另一方面，能量可从一系列光伏电池中收获，所述光伏电池吸收波长在750nm和900nm之间的近红外光。这些波长不会被皮肤、骨骼和眼睛组织显著吸收，尤其是在外界和IOL之间的典型组织深度中。这是在白天收集时有用的能量来源，其中到达眼睛的大约50％的光在IR范围内。由于可见光只会通过瞳孔，因此未被吸收的NIR光的相对能量将会高得多。
虽然UV光也很普遍，但在晶状体和大多数IOL材料中它被阻挡或过滤，因为UV是白内障的原因之一并且对视网膜有害。除此之外，紫外线吸收光伏电池的寿命将短于在其他波长下工作的寿命，这在生物医学植入物中是不希望的。
光伏电池可以是透明光学器件外部的透镜体上的任何位置，其方式不会干扰透镜的致动或妨碍透镜的折叠或注射。光伏电池优选地是生物相容的，并且在任何情况下都嵌入透镜材料中，该透镜材料对NIR波长是透明的。
在一个实施例中，通过瞳孔到达的光能可以被透明染料或染料悬浮液吸收，形成在前NIR透明层和后NIR反射层之间，并形成波导。前层和后层对可见光都是透明的。NIR光在该染料层中被吸收，然后通过斯托克斯位移，染料以另一个被引导到光伏电池的NIR波长发光。
透镜可以包装在预加载的注射器或输送装置中，这使得能够简单地使用和输送到眼睛中，优选地，如本领域技术人员已知的通过角膜或角膜缘中的小切口。
在本申请的说明书和权利要求中，动词“包括”、“包含”和“具有”及其共轭中的每一个用于指示动词的一个对象或多个对象不一定是动词的主语或主语的成员、成分、元素或部分的完整列表。
此外，虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本申请或技术，但是这样的图示和描述被认为是说明性的或示例性的而非限制性的；因此，该技术不限于所公开的实施例。通过研究附图、技术和所附权利要求，本领域技术人员和实践所要求保护的技术可以理解和实现对所公开实施例的变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。
本技术还被理解为包括确切的术语、特征、数值或范围等，如果在这里，这些术语、特征、数值或范围等与诸如“约，...，”之类的术语有关。换句话说，“约3”也应包括“3”或“基本上垂直”也应包括“垂直”。权利要求中的任何参考标记不应被视为对范围的限制。
尽管已经在某种程度上描述了本发明的实施例，但是应该理解，在不脱离如下所述的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

Claims (24)

1.一种人工晶状体(IOL)，所述人工晶状体具有透明光学器件和用于致动透明光学器件的至少一部分中的曲率变化的致动器，所述透明光学器件包括在所述致动器两侧上的聚合物基板(130,140；315,316)，其中所述致动器包括一对透明的负电极和正电极(131,132；314,312；310,308)和电活性材料(EAM)(133；313,309)的膜，所述电活性材料的膜夹在所述负电极和正电极之间并且至少部分地与所述负电极和正电极接触，其中通过在所述负电极和正电极之间施加电压来形成曲率的变化。
2.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，在曲率变化停止时，所述透明光学器件被配置为弹性地返回到非推动的静止状态，其中，静止状态是凸凹状态或凹凸状态中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的人工晶状体，其中，当所述人工晶状体放置在眼睛中时所述人工晶状体包括通过腔被间隔开的相对前部和后部，并且所述致动器用于推动所述前部和后部的至少一个中的曲率变化。
4.根据权利要求3所述的人工晶状体，其中，所述相对前部和后部通过围绕所述人工晶状体的周边的至少一部分形成的桥连接，其中，桥形成有通道或开窗，所述通道或开窗用于提供在腔和腔外部的外部介质之间连通的流体。
5.根据权利要求4所述的人工晶状体，其中，所述电活性材料包括压电聚合物和/或介电弹性体材料。
6.根据权利要求5所述的人工晶状体，其中，所述致动器包括具有交叉电极的堆叠的电活性材料层(EAM)，其中，相邻电极带相反电荷。
7.根据权利要求5所述的人工晶状体，其中，所述电活性材料包括介电弹性体材料，其中所述介电弹性体材料是具有高泊松比的柔软且无源的介电材料，夹在柔顺电极之间。
8.根据权利要求7所述的人工晶状体，其中，所述负电极和正电极是覆盖所述介电弹性体材料的表面的导体。
9.根据权利要求7所述的人工晶状体，其中，所述负电极和正电极是在所述介电弹性体材料的表面上图案化的银纳米线，不会将穿过透镜的光透射率降低到可见范围内的90％以下。
10.根据权利要求1所述的人工晶状体，包括用于连接到人工晶状体的光学体的支撑襻，其中，所述支撑襻包括结合在其中的运动传感器，用于检测所述支撑襻的至少一部分中的运动，并且其中，所述运动是由于眼睛中的调节性响应，其中所述人工晶状体被配置为放置在所述眼睛中。
11.根据权利要求10所述的人工晶状体，其中，所述支撑襻包括摩擦发电机，所述摩擦发电机包括用于收集能量的驻极体材料，所述摩擦发电机形成支撑襻的一部分。
12.根据权利要求11所述的人工晶状体，其中，所述摩擦发电机包括位于所述支撑襻的前侧的定子元件，以及位于所述支撑襻的后侧的移动元件。
13.根据权利要求12所述的人工晶状体，其中，所述摩擦发电机被配置成装配到眼睛的睫状沟或囊袋中，和/或与眼睛的睫状沟或囊袋相互作用，其中所述人工晶状体将被放置在所述囊袋中。
14.根据权利要求13所述的人工晶状体，其中，所述定子元件和所述移动元件中的至少一个包括相应的导电层或电极，和/或与相应的导电层或电极连接。
15.根据权利要求14所述的人工晶状体，其中，每个导电层或电极包括纳米结构，具有在摩擦电序列上不同位置的负电荷和正电荷亲和材料。
16.根据权利要求15所述的人工晶状体，其中，定子元件被配置为与睫状沟接触，并且所述移动元件被配置为当人工晶状体被放置在睫状沟植入物中时与睫状突的前部接触，或者，其中定子元件构造成用于与囊袋的赤道接触并且移动元件构造成用于与眼睛的囊袋的前囊和后囊接触，以在附加的定子元件附近移动。
17.根据权利要求16所述的人工晶状体，其中，所述定子元件被配置为吸收睫状肌的运动以将所述人工晶状体保持在相同的位置，以及移动元件被配置为将睫状肌的力传递给摩擦发电机的运动以获取能量。
18.根据权利要求17所述的人工晶状体，其中，在所述定子元件和所述移动元件之间的间隙上形成电势，并且所述间隙被密封以防止与放置了人工晶状体的眼睛的房水接触。
19.根据权利要求18所述的人工晶状体，其中，所收集的能量存储在能量存储部件中，用于维持透明光学器件的致动状态，其中能量的输出仅在所述电压高于阈值时，并且，所述能量存储部件是至少一个小型化电容器和/或至少一个电池，构成所述运动传感器的至少一部分。
20.根据权利要求19所述的人工晶状体，其包括转换器，该转换器被配置为通过从能量存储部件接收能量用于其功能，将来自运动传感器的输入电压量化为量化步长，其中量化的信号从转换器传送到微控制器。
21.根据权利要求13所述的人工晶状体，其中支撑襻的整体结构的总直径是可调节的，使得它们被配置成在与不同患者的不同的睫状沟或囊袋尺寸接触时通过滑动机构施加相似的力，一旦达到理想位置，就会以刚性的方式锁定。
22.根据权利要求12所述的人工晶状体，其中，所述定子元件是基板材料的形式，并且所述移动元件是基板材料的形式。
23.根据权利要求19所述的人工晶状体，其中，所述阈值是预定义阈值。
24.根据权利要求15所述的人工晶状体，其中，所述纳米结构是电纺纳米纤维。
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