CN110292351A - 基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，公开了基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器及其制备，其中眼压传感器包括通过共形键合形成的角膜接触镜(1)以及在该角膜接触镜(1)内的微通道，微通道中密封有液态金属；该微通道及其内的液态金属整体构成电感线圈(2)；微通道与贴片电容(3)相连，耦合构成LC谐振回路，形成LC谐振式传感器；该电感器件的电感值受眼压影响，使得该LC谐振式传感器的谐振频率同样受眼压影响，通过读取谐振频率的变化，即可实现对眼压的实时传感监测。本发明采用在共形键合的微通道通入液态金属构成电感线圈和贴片电容耦合构成的LC传感器来实现眼压监测，灵敏度高，成本低廉，检测方便。

Description

基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器及其制备

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器及其制备，能够得到基于微流体电子的变电感式隐形眼镜无线眼压传感器。

背景技术

青光眼是世界第一位不可逆性致盲眼病。医学实践查明，眼压升高并非青光眼损害唯一危险因素，病理性的眼压波动在青光眼发生发展中同样扮演重要的角色，而且其表现更为隐匿。因此关注眼压24小时波动情况比仅仅关注眼压绝对值升高更为重要，这一观点已经成为全世界青光眼专家的共识。

目前临床用来监测24小时眼压波动的方法通常采用每间隔2小时测量一次，但这种以12个监测点代替24小时波动全过程的方式不足以全面反映眼压波动的全貌；此外，测量往往需要坐位进行，因此无法获悉患者自然生活状态下的眼压真实情况，如睡眠、运动等。相应地，有必要对眼压监测技术进行更多的研究。

现有技术中的眼压监测波动监测技术包括侵入式的“LC-谐振传感器”，利用惠斯通电桥原理的应变片式非侵入式传感器以及非侵入式的变电感式“LC-谐振传感器”等。侵入式测量虽然可以实现直接测量但是植入手术对眼球会造成不可恢复的伤害，对于普通人或者疑似青光眼病人的眼压监测则不适用。应变片式非侵入式传感器(参见“Wirelesscontact lens sensor for intraocular pressure monitoring:assessment onenucleated pig eyes.”,Matteo Leonardi，Arnaud Bertsch，AndréMermoud.)基于应变片的原理实现对眼压眼压波动的24小时监测，实现了24小时监测的目标。但进一步的研究表明，1)佩戴的舒适性差；2)传感器的灵敏性和检测精度不够；3)输出的信号不稳定，导致其临床推广收到限制。香港研制的变电感式24小时眼压监测仪(参见“Soft wearablecontact lens sensor for continuous intraocular pressure monitoring”,Guo-ZhenChen,Ion-Seng Chan,Leo K.K.Leung,David C.C.Lam.The Hong Kong University ofScience and Technology,Hong Kong.)基于电感变化的原理实现对眼压的24小时测量，但由于其采用金属铜箔作为电感线圈材料，由于铜箔的力学尺度比隐形眼镜材料以及人眼材料大得多，导致其：1)感知单元耦合进隐形眼镜十分困难；2)由于铜箔的弹性模量极大，由眼压波动引起的电感线圈的直径变化非常小，电感变化小，导致传感器灵敏度极低；3)硬质铜箔导致传感器佩戴舒适性非常差，其会影响佩戴区域角膜随眼内变化而来的变形。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器及其制备，其中通过结合眼压监测临床应用自身的特点，采用在共形键合的微通道通入液态金属构成电感线圈和贴片电容耦合构成的LC传感器来实现眼压监测并对其特定结构及其具体设置方式进行设计，传感器感知功能单元由液态金属构成，感知单元的杨氏模量为0.07～0.2MPa，力学模量比铜箔(110～128GPa)小得多，眼压能够引起液态金属电感线圈的极大变化，可实现眼压的高精确实时测量，传感器具有更高的灵敏度(灵敏度比铜箔类型的高一个量级)，更大的动态范围，对后端无线读取模块的精度要求更低，成本低廉，检测方便。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，包括通过共形键合形成的角膜接触镜(1)以及在该角膜接触镜(1)内的微通道，所述微通道中密封有液态金属；所述微通道围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈螺旋状且至少是完整一圈的螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的顺时针或逆时针环形线形分布；该微通道及其内的所述液态金属整体构成电感线圈(2)；

所述角膜接触镜(1)整体呈球冠状，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配的进行贴合；

所述微通道的首尾两端分别通过两条直径为50～100微米的铜丝与贴片电容(3)相连，这两条铜丝分别与所述贴片电容(3)两端通过点焊连接，所述贴片电容(3)和所述铜丝均封装于所述角膜接触镜(1)内；所述电感线圈(2)与所述贴片电容(4)耦合构成LC谐振回路，形成LC谐振式传感器；该电感器件的电感值受眼压影响，使得该LC谐振式传感器的谐振频率同样受眼压影响，通过读取谐振频率的变化，即可实现对眼压的实时传感监测。

作为本发明的进一步优选，所述微通道围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈2～4圈的螺旋状螺旋线形分布，或者围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈2～4个非闭合同心圆彼此连接形成的顺时针或逆时针环形线形分布；

并且该螺旋线形或环形线形的最小内径大于5mm，所述电感线圈(2)的电感值满足90nH～0.21mH。

作为本发明的进一步优选，所述贴片电容(3)为0201封装的贴片电容或01005封装的贴片电容，并且电容值范围满足6.0～8.5pF。

作为本发明的进一步优选，所述LC谐振式传感器的谐振频率满足50～300MHz。

作为本发明的进一步优选，所述微通道的截面为矩形，该微通道的矩形截面宽度为200-400um，高度为50-150um。

作为本发明的进一步优选，所述液态金属无毒，具体为EGaIn或者Galinstan。

作为本发明的进一步优选，所述角膜接触镜(1)的规格尺寸被设定为直径12mm～18mm，厚度小于0.4mm，且其材质为医用硅橡胶材料，优选为PDMS或Ecoflex 0030。

作为本发明的进一步优选，所述角膜接触镜(1)以及在该角膜接触镜(1)内的微通道，具体是将倒模制作好的曲面带微通道图案的第一医用硅橡胶薄膜与位于钢球凸模表面的第二医用硅橡胶薄膜两者进行电晕处理，之后将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合，由此形成所述角膜接触镜(1)主体结构以及在所述角膜接触镜(1)内的微通道。

按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过共形键合形成的角膜接触镜以及位于该角膜接触镜内的微通道，具体是：将倒模制作好的曲面带微通道图案的第一医用硅橡胶薄膜与位于钢球凸模表面的第二医用硅橡胶薄膜两者进行电晕处理，之后将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合，由此形成角膜接触镜主体结构以及位于角膜接触镜内的微通道；

所述角膜接触镜整体呈球冠状，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配的进行贴合；所述微通道围绕所述角膜接触镜的中心呈螺旋状且至少是完整一圈的螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的顺时针或逆时针环形线形分布；

(2)对与所述微通道首尾两端相对应的所述第一医用硅橡胶薄膜部分区域或所述第二医用硅橡胶薄膜部分区域进行打孔使所述微通道的首尾两端开放各形成两个孔，通过这两个孔向所述微通道中注入液态金属，使所述液态金属充满所述微通道；接着，通过两条铜丝使微通道首尾两端处的液态金属分别与贴片电容相连，这两条铜丝预先通过焊锡分别与所述贴片电容的两端固定连接；最后，在所述角膜接触镜主体结构上形成封装层，使所述微通道首尾两端封闭，并使所述贴片电容及两条铜丝均封装于角膜接触镜内，由此制成基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术比，由于将微通道线圈螺旋状或环形状绕在角膜接触镜的镜片层内部，通入液态金属成为一个电感器件，与耦合电容构成LC谐振式传感器(即，LC电路)。当人眼眼压变化时候，角膜产生变形，带动其上的软性液态金属电感线圈产生变形，电感值改变，引起LC谐振频率的偏移，利用后端无线读取模块读取谐振频率，可实现眼内压的高精度测量，尤其能够实现对眼内压的24小时连续实时监测。相应制备方法是将液态金属构成的电感线圈采用共形键合的方式先制备出含螺旋环状分布微通道的隐形眼镜，之后通入液态金属形成电感线圈，然后将贴片电容耦合与电感线圈两端形成传感器。

由于共形键合微通道极低的力学强度，传感器感知功能单元由液态金属构成，力学强度比铜箔小得多，眼压能够引起液态金属电感线圈的极大变化，可实现眼压的高精确实时测量，同时具备灵敏度高、动态范围大、稳定性好、使用舒适和体积小重量轻等优点。同时，由于传感器的高灵敏度，对无线后端读取模块的精度要求更低，可采用成本更低的读取设备进行测量，价格低廉，检测方便。电感值的初始值，可设为90nH～0.21mH(即无形变情况下)，电感值的初始值可以通过调节螺旋线或环形的圈数、平均直径以及螺旋线(或环形弧线)之间的间距来调整。

微通道主体被设定为围绕角膜接触镜的中心呈螺旋状环形分布，螺旋线形至少是完整的一圈(即中心角至少是360°的螺旋线形)；并且，微通道的截面形状可以设置为矩形，矩形截面宽度为200-400um，高度为50-150um。

本发明中基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，可配合后端无线式检测功能模块使用(无线式检测模块主要是监测该眼压传感器谐振频率的变化)，可用于眼压传感领域。通入液态金属的微通道电感线圈，相当于嵌入设置在角膜接触镜的镜片层内部，以共形键合的方式制作而成。共形键合微通道呈螺旋或环形绕圈分布于角膜接触镜中心，即，以角膜接触镜的中心呈现螺旋式或环形线式分布。微通道的螺旋线形或环形线形最小内径大于5mm，大于人的瞳孔，不影响人眼视物。共形键合微通道线圈，由于采用硅橡胶材料以共形键合的方式制备，具备极低的弹性模量，对眼压变化的灵敏度高。

该传感器的敏感单元由硅橡胶和液态金属构成，感知单元的杨氏模量为0.07～0.2MPa，力学模量比铜箔(110～128GPa)小得多，眼压能够引起液态金属电感线圈的极大变化，可实现眼压的高精确实时测量，传感器具有更高的灵敏度(灵敏度比铜箔类型的高一个量级)，更大的动态范围，对后端无线读取模块的精度要求更低，成本低廉，检测方便。

附图说明

图1是本发明螺旋状分布的共形键合微通道的结构示意图。

图2是本发明的变电感眼压监测传感器的结构侧视图。

图3中(a)、(b)、(c)、(d)均是本发明变电感眼压监测传感器的共形键合的流程原理图；其中，(a)对应曲面微通道模板倒模制备曲面含微通道图案硅橡胶膜；(b)对应对曲面含微通道图案硅橡胶膜以及钢球凸模表面的硅橡胶薄膜电晕处理生成羟基；(c)对应共形键合；(d)对应切割出的柔性曲面的微流体隐形眼镜。

图4中(a)、(b)、(c)、(d)均是本发明的变电感眼压监测传感器的截面图；其中，(a)对应曲面柔性微流体隐形眼镜；(b)对应打孔；(c)对应液态金属注入以及电容和铜丝焊锡连接；(d)为电容耦合及封装。

图中各附图标记的含义如下：1为角膜接触镜，2为电感线圈(即，液态金属电感线圈)，3为贴片电容(即，耦合贴片电容)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

以共形键合微通道为螺旋状分布为例，图1是用于显示按照本发明执行的螺旋状分布的共形键合微通道的结构示意图，图2是按照本发明的变电感眼压监测传感器的结构侧视图，图3是按照本发明的变电感眼压监测传感器的工艺制造流程原理图。如图1中所示，该变电感眼压监测传感器主要包括软性的角膜接触镜、通入液态金属的电感线圈、和耦合的贴片电容等组件，并通过对这些组件的结构及其设置方式的研究设计，相应能够高精度、全程测量眼压的波动状态，同时显著提高测量数据的全面性、真实性和稳定性，并确保对患者的舒适适用性。

具体而言，角膜接触镜譬如可采用通过的医用角膜接触镜，它呈球冠状，规格尺寸被定为直径12mm～18mm，厚度小于0.4mm，且其材质优选为PDMS或Ecoflex等医用硅胶材料，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配地进行贴合。共形键合微通道嵌入设置在角膜接触镜的镜片层内部，不与眼睛直接接触，其内通入液态金属室温金属液体为无毒的EGaIn或者Galinstan，构成电感器件；作为关键改进之一，它的主体被设定为围绕该角膜接触镜的中心呈螺旋环形分布，参看图1，该螺旋线设定为2-4圈，嵌入设置在所述角膜接触镜1的镜片层内部，其尾部两端从所述角膜接触镜1引出直径为50～100微米的铜丝与贴片电容耦合，构成LC谐振式传感器。传感器的电感范围值为90nH～0.21mH，贴片电容范围值为6.0～8.5pF，传感器的谐振频率范围为50～300MHz。当人眼眼压变化时候，角膜产生变形，带动其上的软性液态金属电感线圈产生变形，电感值改变，引起LC谐振频率的偏移，利用后端无线读取模块读取谐振频率，可实现眼内压的高精度测量。

微通道的截面可以为矩形，矩形截面的宽度可设置为200-400um，高度可设置为50-150um。

共形键合的微通道流程图如图3所示，将倒模制作好的曲面带微通道图案的硅橡胶薄膜以及钢球凸模表面的硅橡胶薄膜进行电晕处理，两者在表面生成羟基，之后将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合；之后在微通道中通入液态金属，如图4所示。

另外，共形键合微通道围绕该角膜基础镜的中心呈螺旋状分布的形式排列，内径大于瞳孔直径5mm，不影响人眼的视觉。

通过以上构思，上述的角膜接触镜及其附件构成了一种能够输入压力，同时输出反映眼球形变信息的变电感眼压监测传感器。特别是，传感器感知功能单元由液态金属构成，力学强度比铜箔小得多，眼压能够引起液态金属电感线圈的极大变化，可实现眼压的高精确实时测量，传感器具有更高的灵敏度，更大的动态范围，对后端无线读取模块的精度要求更低，成本低廉，检测方便，同时，传感器整体没有硬质材料，佩戴更加舒适。

此外，本发明所述通入液态金属的微通道，其采用共形键合的方式进行制备，具有足够的键合强度，液态金属不会泄露，保障传感器的安全性。

上述实施例中的螺旋状螺旋线形可以是由多个曲线段(如多条弧线)彼此平滑过渡连接形成的；当然，除了采用螺旋线形外，还可以采用由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形(例如，可以是多个圆心角均小于360°的非闭合同心圆通过短线段相连而成)，并且，从环形线形的首端到尾端沿顺时针或逆时针分布。

此外，0201封装电容尺寸长宽高可以分别为0.60mm、0.30mm、0.23mm；01005封装的贴片电容，长宽高可以分别为0.40mm、0.20mm、0.2mm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，包括通过共形键合形成的角膜接触镜(1)以及在该角膜接触镜(1)内的微通道，所述微通道中密封有液态金属；所述微通道围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈螺旋状且至少是完整一圈的螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的顺时针或逆时针环形线形分布；该微通道及其内的所述液态金属整体构成电感线圈(2)；

所述角膜接触镜(1)整体呈球冠状，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配的进行贴合；

所述微通道的首尾两端分别通过两条直径为50～100微米的铜丝与贴片电容(3)相连，这两条铜丝分别与所述贴片电容(3)两端通过点焊连接，所述贴片电容(3)和所述铜丝均封装于所述角膜接触镜(1)内；所述电感线圈(2)与所述贴片电容(4)耦合构成LC谐振回路，形成LC谐振式传感器；该电感器件的电感值受眼压影响，使得该LC谐振式传感器的谐振频率同样受眼压影响，通过读取谐振频率的变化，即可实现对眼压的实时传感监测。

2.如权利要求1所述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，所述微通道围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈2～4圈的螺旋状螺旋线形分布，或者围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈2～4个非闭合同心圆彼此连接形成的顺时针或逆时针环形线形分布；

并且该螺旋线形或环形线形的最小内径大于5mm，所述电感线圈(2)的电感值满足90nH～0.21mH。

3.如权利要求1所述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，所述贴片电容(3)为0201封装的贴片电容或01005封装的贴片电容，并且电容值范围满足6.0～8.5pF。

4.如权利要求1所述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，所述LC谐振式传感器的谐振频率满足50～300MHz。

5.如权利要求1所述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，所述微通道的截面为矩形，该微通道的矩形截面宽度为200-400um，高度为50-150um。

6.如权利要求1所述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，所述液态金属无毒，具体为EGaIn或者Galinstan。

7.如权利要求1所述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，所述角膜接触镜(1)的规格尺寸被设定为直径12mm～18mm，厚度小于0.4mm，且其材质为医用硅橡胶材料，优选为PDMS或Ecoflex0030。

8.如权利要求7所述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器，其特征在于，所述角膜接触镜(1)以及在该角膜接触镜(1)内的微通道，具体是将倒模制作好的曲面带微通道图案的第一医用硅橡胶薄膜与位于钢球凸模表面的第二医用硅橡胶薄膜两者进行电晕处理，之后将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合，由此形成所述角膜接触镜(1)主体结构以及在所述角膜接触镜(1)内的微通道。

9.制备如权利要求1－8任意一项所述基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过共形键合形成的角膜接触镜以及位于该角膜接触镜内的微通道，具体是：将倒模制作好的曲面带微通道图案的第一医用硅橡胶薄膜与位于钢球凸模表面的第二医用硅橡胶薄膜两者进行电晕处理，之后将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合，由此形成角膜接触镜主体结构以及位于角膜接触镜内的微通道；

所述角膜接触镜整体呈球冠状，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配的进行贴合；所述微通道围绕所述角膜接触镜的中心呈螺旋状且至少是完整一圈的螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的顺时针或逆时针环形线形分布；

(2)对与所述微通道首尾两端相对应的所述第一医用硅橡胶薄膜部分区域或所述第二医用硅橡胶薄膜部分区域进行打孔使所述微通道的首尾两端开放各形成两个孔，通过这两个孔向所述微通道中注入液态金属，使所述液态金属充满所述微通道；接着，通过两条铜丝使微通道首尾两端处的液态金属分别与贴片电容相连，这两条铜丝预先通过焊锡分别与所述贴片电容的两端固定连接；最后，在所述角膜接触镜主体结构上形成封装层，使所述微通道首尾两端封闭，并使所述贴片电容及两条铜丝均封装于角膜接触镜内，由此制成基于微流体电子的变电感式隐形眼镜眼压传感器。