CN115501478A - 一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜，属于生物医疗器械技术领域。该角膜接触镜在避免眼睑摩擦造成的继发性角膜损伤的同时，将日常眨眼机械运动的能量，通过压电驻极体薄膜、整流器和电极对转化为外加电场，以此增强生物体为修复角膜产生的内源性电场，无需外部额外供能，即可达到调节损伤角膜的微环境，缓解基质纤维化，促进上皮细胞的有序迁移和规则排列，缓解角膜缘干细胞缺乏症，恢复角膜清晰度的效果。同时，本发明核心结构压电驻极体薄膜，采用具有12角星形的雪花结构，可以有效地提高结构的鲁棒性、拉伸性，以及传感器的灵敏度和发电密度。

Description

一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜
技术领域
本发明属于生物医疗器械技术领域，具体涉及一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜。
背景技术
角膜是一种脆弱的组织，角膜损伤是一种常见的眼科疾病。轻度角膜损伤可完全自行恢复；而中度或重度角膜损伤会造成不可逆的损害。角膜损伤的治疗目的不仅仅是物理上的伤口闭合，更重要的是眼角膜组织排列有序，从而使视力功能恢复正常。严重角膜损伤的主要临床治疗方式包括药物治疗、角膜移植和干细胞治疗。尽管一些药物治疗可以减少基质炎症以实现高角膜清晰度，然而这种方式不利于促进组织的有序排列；角膜移植是治疗严重缺陷性角膜疾病的有效方法，虽然成功率很高，但对供体角膜的需求增加并且无法避免严重的免疫反应的；除此之外，细胞疗法可以很好地避免排斥反应，促进角膜修复，但仍处于临床阶段，并且会延长治疗周期。因此，如何方便、高效地修复角膜损伤是临床医学面临的挑战。
内源性电场(EF)是角膜损伤后在损伤部位自发形成的电场，能够促进组织的有序排列和视觉功能的恢复[1]。然而，内源性电场修复不可逆的角膜损伤能力有限，如果不及时外加干预，会导致角膜缘干细胞缺乏症(LSCD)，并伴有角膜结膜化和血管化。通过应用外部EF加强内源性EF已被证明可以有效加速角膜的有序修复[2]，但设备限制和实施的复杂性阻碍了外加EF地广泛应用[3]。此外，在角膜损伤的修复过程中，考虑到人类每天自然眨眼10000次左右，眨眼时眼睑与角膜的摩擦会造成二次损伤；并且，长期闭眼治疗会引起缺氧、水肿等问题，导致病情进一步恶化。绷带隐形眼镜作为一种临床物理治疗方法，已广泛用于避免角膜缺损后因眼睑摩擦引起的二次损伤。然而，它们微弱的修复作用并不能加速固有的角膜修复过程或减轻基质炎症反应[4]。
因此，寻找一种安全可靠的方式来驱动角膜接触镜产生电场，从而增强内源性电场修复角膜的能力是解决这一难题的关键。
[1]Zhao,M.et al.Electrical signals control wound healing throughphosphatidylinositol-3-OH kinase-γand PTEN.Nature 442,457-460(2006).
[2]Tsai,R.J.F.,Li,L.M.&Chen,J.K.Reconstruction of damaged corneas bytransplantati on of autologous limbal epithelial cells.N.Engl.J.Med.343,86-93(2000).
[3]Someya,T.,Bao,Z.&Malliaras,G.G.The rise of plasticbioelectronics.Nature 540,379(2016).
[4]Blackmore,S.J.The use of contact lenses in the treatment ofpersistent epithelial defec ts.Cont.Lens Anterior Eye 33,239-244(2010).
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜。角膜接触镜采用压电传感，将机械眨眼能量转化为单向脉冲电场，从而增强角膜产生的内源性电场，达到角膜修复的效果。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜，从上至下依次为：第一外层封装薄膜、第一内层封装薄膜、压电传感层、电极对、第二内层封装薄膜和第二外层封装薄膜；
所述柔性压电角膜接触镜还包括整流器，整流器用于将压电传感层和电极对进行电连接；所述压电传感层用于将眨眼时产生的能量转化为脉冲电压信号，整流器用于将压电传感层采集到的脉冲电压信号转化为直流，并输出到电极对上，电极对用于将直流信号转化为外部加强电场，加强内源性电场；
所述压电传感层为具有12角星形的雪花结构的压电驻极体薄膜(PEG)，所述压电驻极体薄膜由三层组成，分别为顶电极层、中间有机材料层和底电极层，三者构成平板电容器；所述电极对的图案为两个同心圆，两个同心圆之间具有连接线，两个圆的圆周线和连接线均为蛇形线。
进一步地，第一外层封装薄膜和第二外层封装薄膜的材料应为生物兼容性较好的材料，因为要与眼球直接接触，优选为甲基丙烯酸2-羟乙酯(HEMA)，厚度为40-50μm。
进一步地，第一内层封装薄膜和第二内层封装薄膜的材料均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度为45-55μm。
进一步地，电极对的材料为氧化铟锡(ITO)，厚度为90-110nm。
进一步地，顶电极和底电极层为金属铝，中间有机材料层为聚丙烯薄膜。
进一步地，所述压电传感层和电极对的图案均采用激光切割形成。
进一步地，所述整流器为2×1.6×0.4mm3的微型整流芯片。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明设计的用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜，在避免眼睑摩擦造成的继发性角膜损伤的同时，将日常眨眼运动的能量，通过压电驻极体薄膜、整流器和电极对转化为外加电场，以此增强生物体为修复角膜产生的内源性电场，无需外部额外供能，即可达到调节损伤角膜的微环境，缓解基质纤维化，促进上皮细胞的有序迁移和规则排列，缓解角膜缘干细胞缺乏症，恢复角膜清晰度的效果。同时，本发明核心结构压电驻极体薄膜，采用具有12角星形的雪花结构，可以有效地提高结构的鲁棒性、拉伸性，以及传感器的灵敏度和发电密度。
附图说明
图1为本发明柔性压电角膜接触镜的结构示意图；
其中，第一外层封装薄膜1-1、第一内层封装薄膜1-2、压电传感层1-3、整流器1-4、电极对1-5、第二内层封装薄膜1-6和第二外层封装薄膜1-7。
图2为本发明柔性压电角膜接触镜的人眼佩戴示意图。
图3为本发明压电驻极体薄膜、整流器和电极对的连接示意图。
图4为本发明柔性压电角膜接触镜产生外加电场的原理图。
图5为实施例1和对比例1不同构型器件的性能对比图。
图6为本发明柔性压电角膜接触镜用于修复老鼠角膜损伤的治疗效果图；
其中，(a)为6天后老鼠角膜上皮厚度对比结果，(b)为6天后老鼠角膜清晰度对比结果。
图7为本发明柔性压电角膜接触镜用于修复兔子角膜损伤的治疗效果图；
其中，(a)为6天后兔子角膜修复率对比结果，(b)为6天后兔子角膜清晰度对比结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜，其结构示意图如图1所示，从上至下依次为：第一外层封装薄膜1-1、第一内层封装薄膜1-2、压电传感层1-3、电极对1-5、第二内层封装薄膜1-6和第二外层封装薄膜1-7；
所述柔性压电角膜接触镜还包括整流器1-4，所述整流器1-4将压电传感层1-3和电极进行对1-5电连接，用于将压电传感层1-3采集到的脉冲电压信号转化为直流，并输出到电极对1-5上；所述压电传感层1-3为12角星形的雪花结构的压电驻极体薄膜(PEG)，所述压电驻极体薄膜由三层组成，分别为顶电极层、中间有机材料层和底电极层，三者构成平板电容器，顶电极和底电极层为金属铝，中间有机材料层为聚丙烯薄膜，所述压电传感层用于将眨眼时产生的能量转化为脉冲电压信号；
所述电极对1-5的图案为两个同心圆，两个同心圆之间具有连接线，两个圆的圆周线和连接线均为蛇形线。
实施例1
一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.制备压电传感层，具体过程为：
在CAD软件中绘制好所需要使用的图案，然后通过飞秒激光切割技术，将具有双面铝电极的压电驻极体薄膜切割为具有12角星结构，即圆环上的正12边型；
步骤2.制备电极对，具体过程为：
首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜粘附在水溶性胶带上，其次在CAD软件中绘制电极对图案，然后通过飞秒激光切割技术对粘附在水溶性胶带上的苯二甲酸乙二醇酯薄膜进行切割，得到图案为两个同心圆，两个同心圆之间具有连接线，两个圆的圆周线和连接线均为蛇形线的电极对；
步骤3.将压电传感器和电极对进行连接，具体过程为：
通过转移印刷技术和双层对准标记技术，将压电传感层和电极对依次粘附到具有标记点的PDMS基板上，然后除去水溶性胶带；最后用焊枪将电极对、压电传感层和整流器焊接在一起，三者的连接结构示意图如图3所示；
步骤4.器件的封装，具体过程为：
制备隐形眼镜形状的外层封装薄膜和内层封装薄膜，先将步骤3得到的结构用上下内层封装薄膜进行封装，然后再用上下外层封装薄膜进行封装，即可得到所需的柔性压电角膜接触镜。
其中，外层封装层材料的生物兼容性应较好，其与眼球直接接触，内层封装层粘附性很好，用于固定压电传感层、电极对和外层封装层；同时，内层封装层采用PDMS材料，本身不透水透气，因此内层封装层的中心设置部分空心，用于透水透气。图1中内层封装层外周的4个小点仅是制备过程中的对齐的标记点。
本实施例制备的的柔性压电角膜接触镜，整个器件封装厚度为48μm；人眼佩戴柔性压电角膜接触镜的示意图如图2所示。
对比例1
按照实施例1的步骤制备柔性压电角膜接触镜，仅将压电传感层的图案结构调整为四角星结构、六角星结构和八角星结构，其它步骤不变。
图4为本发明柔性压电角膜接触镜产生外加电场的原理图。压电驻极体薄膜(PEG)的中间有机材料层(聚丙烯)具有高压电系数，极化后，多个正负电荷对在聚丙烯透镜状气隙的内表面积累，形成宏观的“准偶极子”，这些“准偶极子”产生强大的内部电场并在铝电极层感应出相反极性的电荷。
当眼睛处于每日眨眼过程中时，柔性压电角膜接触镜(BPCL)中PEG层的相应运动周期如图4(i)-(iv)所示。当眼睛完全睁开时，PEG中间有机材料层内部存储的电荷对和PEG铝电极上感应的相反电荷处于静电平衡状态，在电路中(VD＝0，阶段i)顶部铝电极(TAE)和底部铝电极(BAE)之间没有电压差(VD)；闭眼过程中，使得顶部铝电极(TAE)和底部铝电极(BAE)的距离变小，在上下眼睑的压力下，PEG层的总厚度减小，从而降低了宏观偶极子的极化强度，驱动电子通过整流器通过ITO电极从TAE流向BAE(VD>0,阶段ii)；当眼睛完全闭合时，PEG的厚度在眼睑压力下减至最小，此时电荷转移达到最大，通过电路的净电流回落至零，建立新的静电平衡(VD＝0，阶段三)；从闭眼到睁眼阶段(VD>0，阶段iv)，PEG将逐渐恢复到固有的弹性状态，空气层的总厚度增加，导致相反的电子从BAE流向TAE，直到眼睛再次到达最初打开的阶段(i)。
图5为不同构型做出来的器件性能对比图。PEG的开路峰峰值电压定义为Vpp，分别设计角数为4、6、8和12的分型结构器件，相应的Vpp分别为1.0、1.3、1.5和2.5V。由于压电面积的改善，PEG的12角星结构可以提高灵敏度和发电密度。此外，与其他几何构型相比，综合测试表明，在压电面积、内切圆面积、电压输出的综合评测下，PEG(角数12)具有最优的整体性能，拉伸性和机械性能。
静电驻极体薄膜的形状是基于器件的面积和灵敏度综合得出的，因为瞳孔的面积是确定的，即压电传感层内切圆的直径大小是有限制的，否则遮挡视线，同时，整个器件的面积是有限的，如何在有限的空心圆环的面积内设计压电传感层的形状就是值得考虑的。角数越少，内切圆半径越小；但是角数越多，压电传感层在拉伸时的柔性程度就不佳了。
图6为本发明用于修复老鼠角膜损伤的治疗效果图。首先将小鼠的右角膜用NaOH灼烧10s，然后用20ml的生理盐水冲洗眼睛，建立角膜碱损伤模型。在相同实验条件下，MI组(实验组)小鼠，佩戴本发明BPCL进行干预治疗；MS组(假实验组)小鼠，佩戴损坏了的BPCL进行干预治疗；MB组(空白对照组)小鼠，不进行干预治疗处理。从图中可以看出，该柔性压电角膜接触镜对老鼠角膜损伤具有显著的修复效果，具体为：在佩戴接触镜进行实验的第6天收集损伤部位的角膜，进行显微镜观测。图6(a)为6天后老鼠角膜上皮厚度对比结果，H&E染色分析证实MI组在损伤部位实现了有效的上皮再形成，而MS组和MB组的上皮厚度较小。正常(无损伤)组和MI组第6天上皮厚度分别为39.10±2.16μm和36.75±2.63μm，明显大于对照组(MS为21.78±2.85μm，MB为24.48±2.50μm)。图6(b)为6天后老鼠角膜清晰度对比结果，第6天MI组的角膜混浊评分为0.50±0.58，分别小于MS(1.75±0.5)和MB(1.75±0.58)组。
图7为本发明用于修复兔子角膜损伤的治疗效果图。首先将兔子的右角膜用NaOH灼烧10s，然后用20ml的生理盐水冲洗眼睛，建立角膜碱损伤模型。在相同实验条件下，RI组(实验组)兔子，佩戴BPCL进行干预治疗；RS组(假实验组)兔子，佩戴损坏了的BPCL进行干预治疗；RB组(空白对照组)兔子，不进行干预治疗处理。从图中可以看出，说明了该柔性压电角膜接触镜对兔子角膜损伤具有显著的修复效果。具体为：在佩戴接触镜进行实验的第8天收集损伤部位的角膜，进行显微镜观测。图7(a)为6天后兔子角膜修复率对比结果，RI组(实验组)的角膜修复率为92.9±3.0％，显着高于对照组(RS(假实验组)为40.0±7.8％，RB(空白对照组)为41.4±5.2％)。图7(b)为6天后兔子角膜清晰度对比结果，RI组第8天的不透明度评分为0.33±0.58，高于RS组2.0和RB组2.0。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种用于角膜损伤修复的柔性压电角膜接触镜，其特征在于，从上至下依次为：第一外层封装薄膜、第一内层封装薄膜、压电传感层、电极对、第二内层封装薄膜和第二外层封装薄膜；
所述柔性压电角膜接触镜还包括整流器，整流器用于将压电传感层和电极对进行电连接；所述压电传感层用于将眨眼时产生的能量转化为脉冲电压信号，整流器用于将压电传感层采集到的脉冲电压信号转化为直流，并输出到电极对上，电极对用于将直流信号转化为外部加强电场，加强内源性电场；
所述压电传感层为具有12角星形的雪花结构的压电驻极体薄膜，所述压电驻极体薄膜由三层组成，分别为顶电极层、中间有机材料层和底电极层，三者构成平板电容器；所述电极对的图案为两个同心圆，两个同心圆之间具有连接线，两个圆的圆周线和连接线均为蛇形线。
2.如权利要求1所述的柔性压电角膜接触镜，其特征在于，第一外层封装薄膜和第二外层封装薄膜的材料均为甲基丙烯酸2-羟乙酯，厚度为40-50μm。
3.如权利要求1所述的柔性压电角膜接触镜，其特征在于，第一内层封装薄膜和第二内层封装薄膜的材料均为聚二甲基硅氧烷，厚度为45-55μm。
4.如权利要求1所述的柔性压电角膜接触镜，其特征在于，电极对的材料为氧化铟锡(ITO)，厚度为90-110nm。
5.如权利要求1所述的柔性压电角膜接触镜，其特征在于，顶电极层和底电极层材料为金属铝，中间有机材料层材料为聚丙烯薄膜。
6.如权利要求1所述的柔性压电角膜接触镜，其特征在于，所述压电传感层和电极对的图案均采用激光切割形成。
7.如权利要求1所述的柔性压电角膜接触镜，其特征在于，所述整流器为2×1.6×0.4mm3的微型整流芯片。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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