JP2022508023A - Closed microfluidic network for strain sensing embedded in contact lenses to monitor intraocular pressure - Google Patents

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Abstract

眼内圧を監視するためのマイクロ流体歪み感知デバイス。本デバイスは、コンタクトレンズと、コンタクトレンズに埋設される閉鎖型マイクロ流体ネットワークとを有する。ネットワークは、印加された歪みに対して敏感である体積を有する。ネットワークは、(i)ガスを含有するガスリザーバ、(ii)歪みが印加されると体積を変化させる液体を含有する液体リザーバ、および(iii)感知チャネル内に液体を保持することが可能である感知チャネルに区別される。感知チャネルは、1つの端部上にガスリザーバを接続し、別の端部上に液体リザーバを接続する。感知チャネルは、角膜上の曲率半径変動への応答として、または角膜の機械的伸展および解放への応答として流体的に変化するであろう感知チャネル内の液体-ガス平衡圧力界面および平衡を確立する。液体-ガス平衡圧力界面および平衡は、眼内圧を測定するために使用される。Microfluidic strain sensing device for monitoring intraocular pressure. The device has a contact lens and a closed microfluidic network embedded in the contact lens. The network has a volume that is sensitive to the strain applied. The network is capable of retaining liquid in (i) a gas reservoir, (ii) a liquid reservoir containing a liquid that changes volume when strain is applied, and (iii) a sensing channel. Distinguished into channels. The sensing channel connects the gas reservoir on one end and the liquid reservoir on the other end. The sensing channel establishes a liquid-gas equilibrium pressure interface and equilibrium within the sensing channel that will change fluidly in response to changes in radius of curvature on the cornea or in response to mechanical extension and release of the cornea. .. The liquid-gas equilibrium pressure interface and equilibrium are used to measure intraocular pressure.

Description

本発明は、眼内圧を監視するためのデバイス、システム、および方法に関する。特に、本発明は、眼内圧を監視するための、マイクロ流体チャネルの体積の機械的増幅に基づいて機能する、歪みセンサのためのマイクロ流体ネットワーク設計に関する。 The present invention relates to devices, systems, and methods for monitoring intraocular pressure. In particular, the present invention relates to a microfluidic network design for a strain sensor that functions on the basis of mechanical amplification of the volume of a microfluidic channel for monitoring intraocular pressure.

緑内障は、眼の視神経への不可逆的な損傷、したがって、視力の喪失を引き起こす、神経変性疾患である。眼内圧(IOP)の持続的かつ長期の監視が、緑内障の管理のために重要である。 Glaucoma is a neurodegenerative disease that causes irreversible damage to the optic nerve of the eye and thus loss of vision. Continuous and long-term monitoring of intraocular pressure (IOP) is important for the management of glaucoma.

IOP低減が、緑内障の進行を遅らせる、および/または止める唯一の公知の方法である。1mmHgのIOP低減毎に、神経損傷のリスクは、11%低減されると推定される。薬物療法が、IOPを低減させるために一般的に使用されるが、緑内障治療の有効性を向上させるために対処される必要がある、重要な課題が、存在する。最も重要なこととして、患者の約50%が、種々の理由から6カ月後に薬の使用を中止している。薬物効能を測定する能力を有する持続的な長期のIOP監視は、患者が緑内障の管理に準拠したままであるように支援し、それに関して医師を支援し得る。さらに、近年では、IOPの日内変動が、緑内障に関する別のリスク因子として確立され、これは、持続的測定の重要性をなおもさらに高めている。 IOP reduction is the only known method of slowing and / or stopping the progression of glaucoma. For every 1 mmHg IOP reduction, the risk of nerve injury is estimated to be reduced by 11%. Although drug therapy is commonly used to reduce IOP, there are important challenges that need to be addressed to improve the effectiveness of glaucoma treatment. Most importantly, about 50% of patients stop using the drug after 6 months for a variety of reasons. Sustained long-term IOP monitoring with the ability to measure drug efficacy may help patients remain compliant with glaucoma management and assist physicians in that regard. Moreover, in recent years, chronotype of IOP has been established as another risk factor for glaucoma, which further increases the importance of continuous measurement.

IOP測定のために利用可能な現在の技術は、持続的ではない(Goldmann Applanation Tonometry)か、または持続的であるが一時的である(Sensimed Triggerfish)か、または持続的であるが侵襲性である(埋込可能センサ)かのいずれかである。自己眼圧測定デバイス(例えば、Icare)は、長期のデータを提供することができ、これは、非侵襲性であるが、これが表面麻酔剤を要求し得るレベルまで患者にとって依然として不快である。さらに、自己眼圧測定によって取得される結果は、ユーザに依存することが見出されている。 Current techniques available for IOP measurement are either non-persistent (Goldmann Application Tonometry), persistent but temporary (Sensimed Triggerfish), or persistent but invasive. Either (embeddable sensor). Autotonocular pressure measuring devices (eg, Icare) can provide long-term data, which are non-invasive but still uncomfortable for patients to the extent that they may require surface anesthetics. Furthermore, it has been found that the results obtained by self-tension measurement are user-dependent.

遠隔測定の持続的IOP測定のためのアプローチが、開発され、動物モデルにおいて試験されている。これらのアプローチの中でも、コンタクトレンズベースの監視技法が、それらが、非侵襲性であるため、魅力的である。1つのコンタクトレンズシステム(Sensimed AGのTriggerfish)は、信号を処理し、無線で伝送するために使用される電気的歪みセンサ、アンテナ、およびマイクロチップを装備するコンタクトレンズによって、角膜曲率の微小な変化を測定する。本技術は、患者が、データ伝送および電力伝達のために腰の上に受信機を装着することを要求する。厚いシリコーンコンタクトレンズ(中心厚さ580μm)のため、これは、日常的に使用されるコンタクトレンズと同程度に快適ではなく、軽度から中程度の有害反応が、患者の最大80%において報告されている。訓練された人員の要件ならびに本コンタクトレンズプラットフォームと関連付けられる不快感および高費用は、長期監視用途におけるその使用を妨げるものの、単一の24時間周期にわたる試験のみを可能にする。この理由から、Triggerfishは、日単位スケールにおけるIOPの変化を決定するためにより好適であることが見出される。しかしながら、薬物への応答としてのIOP変化は、数週間の時間スケールにおいてである。同様に、ある生活様式の修正に応答するIOP変化もまた、24時間の時間スケールよりも長いものにおいてであろう。したがって、薬物効能を決定し、定期的なIOP測定のために患者が行う必要がある通院の回数を減少させるために、長期においてIOP変動を監視し得る連続装着コンタクトレンズセンサの必要性が、存在する。 Approaches for continuous IOP measurement of telemetry have been developed and tested in animal models. Among these approaches, contact lens-based surveillance techniques are attractive because they are non-invasive. One contact lens system (Sensimed AG's Triggerfish) is a contact lens equipped with an electrical strain sensor, antenna, and microchip used to process and transmit signals wirelessly, resulting in subtle changes in corneal curvature. To measure. The technique requires the patient to wear a receiver on his waist for data and power transmission. Due to the thick silicone contact lenses (center thickness 580 μm), this is not as comfortable as routinely used contact lenses, with mild to moderate adverse reactions reported in up to 80% of patients. There is. The requirements of trained personnel and the discomfort and high cost associated with this contact lens platform hinder its use in long-term surveillance applications, but allow testing over a single 24-hour cycle. For this reason, Triggerfish have been found to be more suitable for determining changes in IOP on a daily scale. However, changes in IOP as a response to the drug are on a time scale of several weeks. Similarly, IOP changes in response to certain lifestyle modifications will also be longer than the 24-hour time scale. Therefore, there is a need for continuously worn contact lens sensors that can monitor IOP fluctuations over the long term in order to determine drug efficacy and reduce the number of hospital visits a patient needs to make for regular IOP measurements. do.

コンタクトレンズセンサの他の実施例は、圧力誘発歪みに応答する電気抵抗、インダクタンス、および静電容量変化の測定に基づく。これらの実施例では、センサ応答は、典型的には、外部リーダコイルを使用する共振周波数変化の測定によって、またはBluetooth(登録商標)接続性によって、遠隔で検出される。電気的測定は、レンズの内側の伝導性構成要素を要求し、これは、典型的には、透明ではなく、透気性がない。 Other embodiments of contact lens sensors are based on measurements of electrical resistance, inductance, and capacitance changes in response to pressure-induced strain. In these embodiments, the sensor response is typically detected remotely by measurement of resonant frequency change using an external reader coil or by Bluetooth connectivity. Electrical measurements require a conductive component inside the lens, which is typically not transparent and impermeable.

最近では、Kim et al.が、電極透明性の問題に対処するために、グラフェン-Ag-ナノワイヤを使用している(J. Kim et al., 「Wearable smart sensor systems integrated on soft contact lenses for wireless ocular diagnostics」, Nature Communications, vol. 8, Apr 2017, Art. no. 14997)。長期使用能力を伴うコンタクトレンズの第1の条件は、低酸素症を防止するための高い透気性である。好ましくないことに、電気センサによって必要とされる伝導性構成要素は、ガスに対して不透過性である。金属は、軟質材料と比較して、8~10桁低いガス透過性を有し、これは、電気的感知ベースのコンタクトレンズが、単一の24時間にわたって使用されるときでも、ヒト治験において軽度の有害反応を引き起こす。長期使用のための他の条件は、快適性であり、これは、高い含水率および薄い(<200マイクロメートル)コンタクトレンズを作製することによって達成される。電気的感知方法は、コンタクトレンズの水和レベルに対して敏感である。したがって、コンタクトレンズ電気センサは、標準的シリコーン/ヒドロゲル材料の代わりに、非常に低い含水率を有するシリコーンから作製される。これは、コンタクトレンズの快適性を低減させる。水和レベルに対する感度に関する3つの主要な理由が、存在する。第1に、水和に起因するヒドロゲルの膨張は、歪みを誘発し、したがって、これは、測定における誤差の源である。第2に、コンタクトレンズと角膜との間の摩擦は、水和レベルに対して敏感であり得、したがって、感度に影響を及ぼす。最後に、電気的構成要素は、湿度から影響を受け、したがって、パリレン-c等のシーラント材料を使用することによって隔離されるべきである。 Recently, Kim et al. However, graphene-Ag-nanowires are used to address the problem of electrode transparency (J. Kim et al., "Wearable smart sensors integrated on soft contact lensesnences for wireless Co., Ltd.". vol. 8, Apr 2017, Art. No. 14997). The first condition for contact lenses with long-term use capacity is high air permeability to prevent hypoxia. Preferably, the conductive component required by the electrical sensor is impermeable to gas. Metals have 8-10 orders of magnitude lower gas permeability compared to soft materials, which is mild in human clinical trials, even when electrically sensitive based contact lenses are used over a single 24-hour period. Causes adverse reactions. Another condition for long-term use is comfort, which is achieved by making high moisture content and thin (<200 micrometer) contact lenses. Electrical sensing methods are sensitive to contact lens hydration levels. Therefore, contact lens electrical sensors are made from silicone with a very low water content instead of standard silicone / hydrogel materials. This reduces the comfort of contact lenses. There are three main reasons for sensitivity to hydration levels. First, the expansion of the hydrogel due to hydration induces strain, which is therefore a source of error in the measurement. Second, the friction between the contact lens and the cornea can be sensitive to the level of hydration and thus affects the sensitivity. Finally, the electrical components are affected by humidity and should therefore be isolated by using a sealant material such as parylene-c.

本発明は、当技術分野を発展させ、現在の問題または懸念のうちの少なくともいくつかを排除する、IOPを測定するための技術を提供する。 The present invention provides techniques for measuring IOP that advance the art and eliminate at least some of the current problems or concerns.

J. Kim et al., 「Wearable smart sensor systems integrated on soft contact lenses for wireless ocular diagnostics」, Nature Communications, vol. 8, Apr 2017, Art. no. 14997J. Kim et al. , "Wearable smart sensors integrated on soft contacts lenses for womens ocular digitals", Nature Communications, vol. 8, April 2017, Art. no. 14997

本発明は、IOP測定のためにコンタクトレンズと統合される、マイクロ流体原理を使用する歪みセンサに関する。本発明において使用される材料は、低費用、透明、透気性、かつ可撓性である。シリコーンコンタクトレンズ内にマイクロ流体歪みセンサを埋設するための方法が、提供される。マイクロ流体コンタクトレンズセンサ(miLenS)は、患者が、その自身のIOPを測定し、緑内障をより良好に管理することを可能にする。 The present invention relates to a strain sensor that uses the microfluidic principle and is integrated with a contact lens for IOP measurement. The materials used in the present invention are low cost, transparent, breathable and flexible. A method for embedding a microfluidic strain sensor in a silicone contact lens is provided. The microfluidic contact lens sensor (miLenS) allows the patient to measure his or her own IOP and better manage glaucoma.

マイクロ流体コンタクトレンズセンサは、患者の生涯の間の内部因子(すなわち、代謝、瞬目、および衝動性眼移動)ならびに外部因子(すなわち、薬物、食事、生活様式等)に起因するIOP増減を測定することが可能である。測定は、患者の裁量で(または自動的に)行われ、読出は、スマートフォンカメラによって(または自動化測定のためのウェアラブルカメラによって)実現されるであろう。これは、在宅監視および持続的データ記録を可能にする。データは、次いで、医療提供者のデータベースに直接送信され、これは、患者および医師が、IOP変動を監視することを可能にする。本発明者らの技術の側面が、以下のように列挙される。 Microfluidic contact lens sensors measure IOP increases and decreases due to internal factors (ie, metabolism, blinking, and impulsive eye movements) and external factors (ie, drugs, diet, lifestyle, etc.) throughout the patient's life. It is possible to do. The measurements will be made at the patient's discretion (or automatically) and the readings will be achieved by a smartphone camera (or by a wearable camera for automated measurements). This enables home monitoring and continuous data recording. The data is then sent directly to the healthcare provider's database, which allows patients and physicians to monitor IOP fluctuations. Aspects of the present inventors' technology are listed as follows.

1)miLenSは、狭いマイクロ流体感知領域(miLenSの周辺における0.1mmと同程度に小さい幅のリング)が、シリコーンまたはシリコーン/ヒドロゲルコンタクトレンズ材料内に埋設される、ハイブリッド材料システムを使用して構築されるであろう。マイクロ流体感知チャネルは、透明、軟質、かつ疎油性材料から作製されるであろう。感知材料は、電子構成要素と比較して、6~10桁高い透気性であろう。 1) miLenS uses a hybrid material system in which a narrow microfluidic sensing area (a ring as small as 0.1 mm around the miLenS) is embedded in a silicone or silicone / hydrogel contact lens material. Will be built. Microfluidic sensing channels will be made from clear, soft and oleophobic materials. The sensing material will be 6-10 orders of magnitude more breathable compared to the electronic components.

2)マイクロ流体感知技法は、いかなる能動的に制御される構成要素も有しておらず、流体物理学の原理に基づいてのみ機能する。miLenSは、あらゆる電気的構成要素がない(無電力)。これは、低費用デバイスである。加えて、これは、ウェアラブル電子センサにおいて必要とされる、データ伝送、受信、および記録のための煩雑な周辺構成要素(例えば、アンテナ、マイクロチップ等)を排除することによって、より容易な使用性を提供する。 2) The microfluidic sensing technique has no actively controlled components and works only on the principle of fluid physics. miLenS has no electrical components (no power). This is a low cost device. In addition, it is easier to use by eliminating the cumbersome peripheral components (eg antennas, microchips, etc.) required for wearable electronic sensors for data transmission, reception, and recording. I will provide a.

3)センサは、歪みに対して敏感であり、角膜の曲率半径変化に応答するが、眼瞼によって直接印加される力またはコンタクトレンズ材料の水和に起因する力に対して低い感度を有する。本発明者らが設計したセンサは、側方方向において低い剛性を有し(すなわち、マイクロ流体デバイスは、薄く、低弾性率を有する)、半径方向において高い剛性を有し(すなわち、マイクロ流体ネットワークチャネルは、小さい幅を有する)、これを外力(例えば、瞬目、眼の擦過)に対して感度を低くするであろう。 3) The sensor is sensitive to strain and responds to changes in the radius of curvature of the cornea, but has low sensitivity to forces applied directly by the eyelid or due to hydration of the contact lens material. The sensors designed by the present inventors have low lateral rigidity (ie, the microfluidic device is thin and has a low modulus) and high rigidity in the radial direction (ie, the microfluidic network). The channel will have a small width), which will make it less sensitive to external forces (eg, blinks, eye scratches).

4)miLenSは、スマートフォンカメラおよび光学アダプタを用いて読出を可能にする。これは、離散的な時点における測定を提供するであろう。一変形例では、センサ応答を追跡し得るウェアラブルカメラもまた、持続的かつ自動化測定のために利用されることができる。 4) miLenS enables reading using a smartphone camera and an optical adapter. This will provide measurements at discrete time points. In one variant, a wearable camera capable of tracking sensor responses can also be utilized for continuous and automated measurements.

5)既存の技術を用いて記録された持続的データは、IOPが、1日毎および1時間毎に約5~15mmHgならびに1秒毎に約15~40mmHg増減することを示す。本発明者らが設計したマイクロ流体ネットワーク回路は、血圧または筋肉収縮に起因して短い時間スケールにおいて起こる大きい増減をフィルタ処理して取り除く能力を有する。この場合では、センサは、実際には、流体ローパスフィルタとして作用し、これは、数分でまたはそれよりも遅く起こる変化のみに応答する。類似する様式で、流体構成要素は、急速なIOP変化のみを登録するように設計されることができる。異なる時間スケールにおいて起こる事象を測定し得るセンサは、角膜の曲率半径測定に基づいて、真のIOPのより良好な推定を行うことができる。 5) Sustained data recorded using existing techniques show that IOP increases or decreases by about 5-15 mmHg daily and hourly and by about 15-40 mmHg per second. The microfluidic network circuit designed by the present inventors has the ability to filter out large increases and decreases that occur on a short time scale due to blood pressure or muscle contraction. In this case, the sensor actually acts as a fluid lowpass filter, which responds only to changes that occur in minutes or later. In a similar fashion, fluid components can be designed to register only rapid IOP changes. Sensors capable of measuring events occurring at different time scales can make better estimates of true IOP based on measurements of the radius of curvature of the cornea.

マイクロ流体歪みセンサ埋設コンタクトレンズは、使用が便宜的であり、持続的測定能力を有する。これは、測定を行うための訓練を殆ど要求せず、したがって、家庭医学のためのデバイスとして使用されるであろう。これらは、大規模な患者集団に関する長期IOPデータの記録が必要とされる臨床研究を可能にするであろう。IOPの持続的記録およびその分析は、神経変性疾患およびそれらの圧力との関係の理解を向上させるであろう。加えて、これは、緑内障治療のために使用される薬物の効率および効能を改良するために有用であろう。したがって、miLenS技術は、緑内障患者のより良好に個人化された処置のための有望な健康管理技術を提供する。上記に列挙されるこれらの利点は、潜在的に、患者が、恒久的に、かつ訓練された人員の補助を伴わずにセンサを使用することを可能にするであろう。 Microfluidic strain sensor embedded contact lenses are convenient to use and have continuous measurement capability. It requires little training to make measurements and will therefore be used as a device for family medicine. These will enable clinical studies that require the recording of long-term IOP data for large patient populations. Sustained recording of IOP and its analysis will improve understanding of neurodegenerative diseases and their relationship to pressure. In addition, it will be useful for improving the efficiency and efficacy of drugs used for the treatment of glaucoma. Therefore, miLenS technology provides promising health care technology for better personalized treatment of glaucoma patients. These advantages listed above will potentially allow patients to use the sensor permanently and without the assistance of trained personnel.

一実施形態では、本発明は、眼内圧変化を監視するためのマイクロ流体歪み感知デバイスを提供する。閉鎖型マイクロ流体ネットワークは、透明および/または疎油性である。マイクロ流体歪み感知デバイスは、コンタクトレンズと、コンタクトレンズに埋設される、閉鎖型マイクロ流体ネットワークとを有する。コンタクトレンズは、シリコーンコンタクトレンズ、ヒドロゲルコンタクトレンズ、またはそれらの組み合わせである。コンタクトレンズは、いかなる能動的に制御される構成要素または電気的構成要素も有していない。 In one embodiment, the invention provides a microfluidic strain sensing device for monitoring changes in intraocular pressure. Closed microfluidic networks are transparent and / or oleophobic. The microfluidic strain sensing device has a contact lens and a closed microfluidic network embedded in the contact lens. Contact lenses are silicone contact lenses, hydrogel contact lenses, or a combination thereof. Contact lenses do not have any actively controlled or electrical components.

閉鎖型マイクロ流体ネットワークは、軸方向歪みに対して敏感である体積を有する。閉鎖型マイクロ流体ネットワークは、(i)ガスを含有する、ガスリザーバ、(ii)歪みが、誘発されると、体積を変化させる液体を含有する、液体リザーバ、および(iii)感知チャネル内に液体を保持することが可能である、感知チャネルに区別される。感知チャネルは、1つの端部上にガスリザーバを接続し、別の端部上に液体リザーバを接続する。感知チャネルは、角膜上の曲率半径変動への応答として、または角膜の機械的伸展および解放への応答として流体的に変化するであろう、感知チャネル内の液体-ガス平衡圧力界面および平衡を確立する。液体-ガス平衡圧力界面および平衡は、眼内圧を測定するために使用される。 Closed microfluidic networks have a volume that is sensitive to axial strain. Closed microfluidic networks include (i) a gas reservoir, a liquid reservoir containing a liquid that changes volume when strain is induced, and (iii) a liquid in a sensing channel. Distinguished into sensing channels that can be retained. The sensing channel connects the gas reservoir on one end and the liquid reservoir on the other end. The sensing channel establishes a liquid-gas equilibrium pressure interface and equilibrium within the sensing channel that will change fluidly in response to changes in radius of curvature on the cornea or in response to mechanical extension and release of the cornea. do. The liquid-gas equilibrium pressure interface and equilibrium are used to measure intraocular pressure.

液体リザーバは、少なくとも1つのリングを形成し、空気リザーバは、少なくとも1つのリングの内側または外側に位置付けられる。各場合では、液体リザーバ体積は、コンタクトレンズを装着する眼に対する半径方向力に対して、眼に対する接線方向力に対して非常に敏感である。液体リザーバは、半径方向における高い剛性、および/または、接線方向における剛性および/またはマイクロ流体チャネル壁厚さと比べてより小さいチャネル幅を有し、液体リザーバが外力に対して感度が低くなることをもたらす。 The liquid reservoir forms at least one ring and the air reservoir is located inside or outside the at least one ring. In each case, the liquid reservoir volume is very sensitive to the radial force to the eye wearing the contact lens and to the tangential force to the eye. The liquid reservoir has high stiffness in the radial direction and / or a channel width that is smaller than the stiffness in the tangential direction and / or the microfluidic channel wall thickness, making the liquid reservoir less sensitive to external forces. Bring.

一実施例では、液体リザーバは、1つ以上のチャンバを有する。これらのチャンバは、同心リングを有し得る。これらのチャンバはまた、1つ以上の場所において相互に接続される同心リングを有し得る。これらのチャンバはまた、同心リングを有し得、感度は、同心リングの数が、増加するにつれて、増加する。 In one embodiment, the liquid reservoir has one or more chambers. These chambers may have concentric rings. These chambers may also have concentric rings that are interconnected in one or more locations. These chambers may also have concentric rings and the sensitivity increases as the number of concentric rings increases.

一実施例では、液体リザーバの表面は、パターン化され得る。液体リザーバ天井の表面は、凸状形状を有し得、凸状形状は、リザーバチャネル床に向かって湾曲し得る。 In one embodiment, the surface of the liquid reservoir can be patterned. The surface of the liquid reservoir ceiling can have a convex shape, which can be curved towards the reservoir channel floor.

感知チャネルは、液体リザーバに印加される約1%歪みあたり約4.5mm界面移動の歪み感度を有する。一実施例では、感知チャネルは、約1~10mmの内径を有する。別の実施例では、感知チャネルは、10-11~10-8の断面積を伴う内径5~12mmを有する。 The sensing channel has a strain sensitivity of about 4.5 mm interfacial movement per about 1% strain applied to the liquid reservoir. In one embodiment, the sensing channel has an inner diameter of about 1-10 mm. In another embodiment, the sensing channel has an inner diameter of 5-12 mm with a cross-sectional area of 10-11 to 10-8 m 2 .

図1は、本発明の例示的実施形態による、圧力監視に基づくmiLensデバイスのワークフローを示す。FIG. 1 shows a workflow of a miLens device based on pressure monitoring according to an exemplary embodiment of the invention. 図2Aは、本発明の例示的実施形態による、わずか100マイクロメートル厚さであるセンサの画像を示す。各側上の小さい滴は、センサをシールするために使用され、20マイクロメートル未満の厚さで作製され得る、Norland光学接着剤(NOA)である。FIG. 2A shows an image of a sensor that is only 100 micrometers thick, according to an exemplary embodiment of the invention. A small drop on each side is a Norland optical adhesive (NOA) that is used to seal the sensor and can be made to a thickness of less than 20 micrometers. 図2Bは、本発明の例示的実施形態による、センサをコンタクトレンズの中に埋設した後のセンサ(300マイクロメートル最終厚さ)の画像を示す。FIG. 2B shows an image of a sensor (final thickness of 300 micrometers) after the sensor is embedded in a contact lens according to an exemplary embodiment of the invention. 図3は、本発明の例示的実施形態による、コンタクトレンズ内に埋設される複数のリング液体リザーバを伴う閉鎖型システムセンサの上面図を示す。FIG. 3 shows a top view of a closed system sensor with a plurality of ring liquid reservoirs embedded in a contact lens according to an exemplary embodiment of the invention. 図4は、本発明の例示的実施形態による、複数チャンバ液体リザーバセンサA)対単一チャンバ液体リザーバセンサB)ならびにA)およびB)に示されるようなセンサが接線方向力下で伸展されるときのそれらの個別の挙動の側面図を示す。410-Aおよび410-Bは、センサの伸展下の可能性として考えられる伸展点を示す。センサは、両方の方向における剛性を減少させる軟質材料から作製される必要性がある。センサは、薄くある必要性がある。図4は、これを図示し、基本的に、マイクロ流体チャネル天井厚さt1および床厚さt2は、小さくある(<20μm)必要性がある。これもまた、両方の方向における剛性を低減させる。リザーバリング幅wは、小さくある(<100μm)必要性がある。これは、接線方向剛性に影響を及ぼさないが、マイクロ流体チャネルの半径方向剛性を増加させ、センサ性能を向上させる際に重要である。FIG. 4 shows the sensors as shown in the multi-chamber liquid reservoir sensor A) vs. single-chamber liquid reservoir sensor B) and A * ) and B * ) according to an exemplary embodiment of the invention extended under tangential force. A side view of their individual behavior when done is shown. 410-A and 410-B indicate the possible extension points of the sensor under extension. The sensor needs to be made from a soft material that reduces stiffness in both directions. The sensor needs to be thin. FIG. 4 illustrates this, and basically the microfluidic channel ceiling thickness t1 and floor thickness t2 need to be small (<20 μm). This also reduces stiffness in both directions. The reservoir ring width w needs to be small (<100 μm). This does not affect the tangential stiffness, but is important in increasing the radial stiffness of the microfluidic channel and improving sensor performance. 図5は、本発明の例示的実施形態による、単一リング液体リザーバ対3リングリザーバの上面図を示す。3つのリングに関する丸で囲まれた領域は、拡大されたリングを示す。FIG. 5 shows a top view of a single ring liquid reservoir vs. 3 ring reservoir according to an exemplary embodiment of the invention. The circled area for the three rings indicates the enlarged ring. 図6は、本発明の例示的実施形態による、3つの異なるセンサタイプ、すなわち、1つ、2つ、および5つのリザーバリングの圧力応答を示す。リング高さ、幅、および間隔は、100マイクロメートルである。傾斜値は、感度であり、mm/mmHg単位で対応する曲線の下に示される。曲線毎に、少なくとも3つの測定値の平均および標準偏差が、使用される。FIG. 6 shows the pressure response of three different sensor types, one, two, and five reservoir rings, according to an exemplary embodiment of the invention. The ring height, width, and spacing are 100 micrometers. The slope value is the sensitivity and is shown below the corresponding curve in mm / mmHg. For each curve, the mean and standard deviation of at least three measurements are used. 図7は、本発明の例示的実施形態による、3つの異なるリング幅に関するリザーバリングの数に対する感度依存性を示す。リング数のうちのいくつかに関する複数のデータ点が、同一のパラメータを伴う異なる時点で加工されたセンサを使用して取得され、感度値における増減は、加工の差異の結果である。感度は、50および100マイクロメートル幅を伴うリングの数に線形に依存するが、200マイクロメートル幅に関するものから有意に影響を受けない。FIG. 7 shows the sensitivity dependence on the number of reservoir rings for three different ring widths according to an exemplary embodiment of the invention. Multiple data points for some of the number of rings were obtained using sensors machined at different time points with the same parameters, and the increase or decrease in sensitivity values is the result of machined differences. Sensitivity depends linearly on the number of rings with 50 and 100 micrometer widths, but is not significantly affected by those for 200 micrometer widths. 図8は、本発明の例示的実施形態による、角膜上のmiLenSの設置および液体リザーバの位置の側面図を示す。挿入図は、液体リザーバおよびそれらに作用する力の拡大図を示し、挿入図a)は、半径方向力下で圧縮される単一の幅広液体リザーバを示し、挿入図b)は、同一の力の下で圧縮されない液体リザーバとしての一連の同心円を示す。FIG. 8 shows a side view of the installation of miLenS on the cornea and the location of the liquid reservoir according to an exemplary embodiment of the invention. The inset shows an enlarged view of the liquid reservoirs and the forces acting on them, inset a) shows a single wide liquid reservoir that is compressed under radial force, and inset b) shows the same force. Shown below is a series of concentric circles as an uncompressed liquid reservoir. 図9は、本発明の例示的実施形態による、3つの異なるリング幅に関する高さに対する感度依存性を示す。高さのうちのいくつかに関する複数のデータ点が、同一のパラメータを伴う異なる時点で加工されたセンサを使用して取得され、感度値における増減は、加工の差異の結果である。感度は、リザーバ高さに線形に依存する。赤色データ点910は、より厚いチップ(300マイクロメートル)を示し、それらは、より薄い(150マイクロメートル)対応物920と比較して、50%低減された感度を示す。FIG. 9 shows the sensitivity dependence on height for three different ring widths according to an exemplary embodiment of the invention. Multiple data points for some of the heights were obtained using sensors machined at different time points with the same parameters, and the increase or decrease in sensitivity values is the result of machined differences. Sensitivity depends linearly on reservoir height. Red data points 910 indicate thicker chips (300 micrometers), which show a 50% reduction in sensitivity compared to the thinner (150 micrometer) counterpart 920. 図10は、本発明の例示的実施形態による、オーゼティックコンタクトレンズセンサおよび液体リザーバ断面の拡大図を示す。図8に示されるような長方形チャネルを伴うセンサと異なり、本チャネルは、湾曲上部層を有する。本上部層は、本発明者らのデータおよびComsolシミュレーションによって示されるように、接線方向力が印加されると、平坦化される。FIG. 10 shows an enlarged view of a cross section of an auxetic contact lens sensor and a liquid reservoir according to an exemplary embodiment of the present invention. Unlike a sensor with a rectangular channel as shown in FIG. 8, this channel has a curved top layer. The upper layer is flattened when a tangential force is applied, as shown by our data and the Comsol simulation. 図11は、本発明の例示的実施形態による、円形および線形凸状形状を伴うパターン化されたリザーバ天井を伴うセンサを示す。FIG. 11 shows a sensor with a patterned reservoir ceiling with circular and linear convex shapes according to an exemplary embodiment of the invention. 図12は、本発明の例示的実施形態による、線形にパターン化された液体リザーバ天井を伴うセンサの顕微鏡画像を左側に示す。右側に、それぞれ、平坦天井センサ対湾曲天井(オーゼティック)デバイスに関する測定された感度29マイクロメートル/mmHgおよび77マイクロメートル/mmHgの比較が、示される。FIG. 12 shows a microscopic image of a sensor with a linearly patterned liquid reservoir ceiling according to an exemplary embodiment of the invention on the left. On the right side, a comparison of measured sensitivities of 29 micrometer / mmHg and 77 micrometer / mmHg for flat ceiling sensors vs. curved ceiling (auxetic) devices is shown, respectively. 図13は、本発明の例示的実施形態による、センサを加工する方法を示す。Aは、UV処理を指す。Bは、プラズマ処理(PDMS)を指す。Cは、処理APTESを指す。1は、ガラススライドを指し、2は、NOA65(未硬化)を指し、3は、PDMSを指し、4は、NOA65(硬化)を指す。ステップ1では、NOA65が、2つのPDMSコーティングガラススライドの間に挟装され、UV硬化され、20マイクロメートルフィルムを作成する。これは、2回繰り返される。ステップ2では、NOA65が、金型上に滴下され、ステップ2からの20マイクロメートルフィルムが、プラズマ処理される。ステップ3では、ステップ2からの2つの層が、ともに挟装され、UV硬化される。ステップ4では、ステップ3からの70マイクロメートル層が、プラズマ処理される。ステップ1からの20マイクロメートル層は、プラズマ処理され、APTES処理される。ステップ5では、ステップ4からの2つの層が、ともに挟装される。FIG. 13 shows a method of processing a sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. A refers to UV treatment. B refers to plasma treatment (PDMS). C refers to the processing APTES. 1 refers to a glass slide, 2 refers to NOA65 (uncured), 3 refers to PDMS, and 4 refers to NOA65 (cured). In step 1, NOA65 is sandwiched between two PDMS coated glass slides and UV cured to create a 20 micrometer film. This is repeated twice. In step 2, NOA65 is dropped onto the mold and the 20 micrometer film from step 2 is plasma treated. In step 3, the two layers from step 2 are sandwiched together and UV cured. In step 4, the 70 micrometer layer from step 3 is plasma treated. The 20 micrometer layer from step 1 is plasma treated and APTES treated. In step 5, the two layers from step 4 are sandwiched together. 図14は、本発明の例示的実施形態による、コンタクトレンズの中にセンサを埋設する方法を示す。Bは、プラズマ処理(PDMS)を指す。Cは、処理APTESを指す。Dは、硬化(熱)処理を指す。5は、コンタクトレンズ加工のための半球形金型を指し、6は、センサを指し、7は、コンタクトレンズの上部層を指す。ステップ6では、PDMSが、コンタクトレンズ金型上に流し込まれる。次いで、摂氏80度において硬化され、プラズマおよびAPTES処理される。センサ底面が、プラズマ処理される。ステップ7では、センサ底面が、PDMSコーティングコンタクトレンズ金型上に設置される。センサリザーバは、作業液体を用いて充填され、シールされる。ステップ8では、より多くのPDMSが、センサ上に流し込まれ、室温において硬化される。ステップ9では、コンタクトレンズが、金型の表面から剥離される。FIG. 14 shows a method of embedding a sensor in a contact lens according to an exemplary embodiment of the present invention. B refers to plasma treatment (PDMS). C refers to the processing APTES. D refers to a curing (heat) treatment. 5 refers to a hemispherical mold for processing contact lenses, 6 refers to a sensor, and 7 refers to the upper layer of a contact lens. In step 6, PDMS is poured onto the contact lens mold. It is then cured at 80 degrees Celsius and plasma and APTES treated. The bottom surface of the sensor is plasma treated. In step 7, the bottom surface of the sensor is placed on the PDMS coated contact lens mold. The sensor reservoir is filled and sealed with working liquid. In step 8, more PDMS is poured onto the sensor and cured at room temperature. In step 9, the contact lens is stripped from the surface of the mold. 図15は、本発明の例示的実施形態による、オーゼティックマイクロ流体センサの天井層の加工ステップを示す。FIG. 15 shows the machining steps of the ceiling layer of an auxetic microfluidic sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. 図16は、本発明の例示的実施形態による、癌細胞の生物力学のための歪みセンサを示す。底部チャネルでは、歪みセンサが、設置される一方、細胞が、上部チャネル内に播種される。FIG. 16 shows a strain sensor for biomechanics of cancer cells according to an exemplary embodiment of the invention. In the bottom channel, strain sensors are installed while cells are seeded in the top channel. 図17は、本発明の例示的実施形態による、コンタクトレンズおよび形状の場所の上面図ならびに側面図を示す。上面図および側面図における星形形状の他に、他の例示的形状もまた、提供されることができる。これらの形状の組み合わせもまた、使用されることができる。FIG. 17 shows a top view and a side view of the location of the contact lens and shape according to an exemplary embodiment of the invention. In addition to the star shapes in the top and side views, other exemplary shapes can also be provided. A combination of these shapes can also be used. 図18は、本発明の例示的実施形態による、50マイクロメートル高さおよび50マイクロメートル幅のチャネルが、薄いデバイスを維持しながら最適な感度付近を提供する、Comsol結果を示す。図18の星形形状は、本デバイスを薄く維持しながらの最大体積変化(すなわち、感度)のための最適な幾何学的パラメータを示す。FIG. 18 shows the COMSOL results according to an exemplary embodiment of the invention, in which channels 50 micrometer high and 50 micrometer wide provide near optimum sensitivity while maintaining thin devices. The star shape in FIG. 18 shows the optimum geometric parameters for maximum volume change (ie, sensitivity) while keeping the device thin.

これまでに報告されているIOP測定デバイスは、センサに作用する力の方向性を考慮していない。例えば、Chen et al. (G.-Z. Chen, I.-S. Chan, L. K. K. Leung, and D. C. C. Lam,「Soft wearable contact lens sensor for continuous intraocular pressure monitoring」, Medical Engineering & Physics, vol. 36, no. 9, pp. 1134-1139, Sep 2014)による静電容量測定ベースのセンサは、瞬目に起因する等のレンズに対して印加される半径方向力に応答する。理想的なコンタクトレンズセンサは、角膜の半径変化の結果として印加される歪みに対してのみ敏感であるべきであり、レンズに対して垂直に印加される力(すなわち、半径方向力)によって影響を受けるべきではない。これを考慮して、本発明者らは、眼に対する半径方向力よりも接線方向力に対してより敏感である歪みセンサを開発するために、COMSOLシミュレーションおよび実験的測定を使用した。本発明の実施形態は、IOP測定のためのマイクロ流体感知およびそのような所望の歪みセンサ力応答に基づく。 The IOP measuring devices reported so far do not consider the direction of the force acting on the sensor. For example, Chen et al. (G.-Z. Chen, I.-S. Chan, L. K. K. Leng, and DC Lam, "Soft wearable contact lens sensor for continuus engineer essence" The capacitance measurement-based sensor according to vol. 36, no. 9, pp. 1134-1139, Sep 2014) responds to the radial force applied to the lens, such as due to the blink of an eye. An ideal contact lens sensor should only be sensitive to the strain applied as a result of a change in the radius of the cornea and is affected by the force applied perpendicular to the lens (ie, the radial force). You shouldn't take it. With this in mind, we used COMSOL simulations and experimental measurements to develop strain sensors that are more sensitive to tangential forces than radial forces to the eye. Embodiments of the invention are based on microfluidic sensing for IOP measurements and such desired strain sensor force responses.

図1は、IOP自己測定技法のワークフローの実施例を示す。miLenSは、患者が、通常のコンタクトレンズと同様に、これを自身で設置および除去することが可能であろうため、他のセンサと明確に異なる。IOPが、増減するにつれて、角膜の曲率半径は、変化する(IOPの各1mmHg変化は、曲率半径の4μm変化を引き起こす)。本技術では、センサのマイクロ流体感知チャネルにおける流体レベルは、角膜上の曲率半径変動への応答として変化するであろう。センサ応答は、光学アダプタを装備するスマートフォンカメラを用いて検出され、次いで、スマートフォンアプリによって圧力値に変換されるであろう。これは、無線周波数またはBluetooth(登録商標)データ転送方法に関連するセキュリティおよび健康懸念を排除するであろう。本発明者らは、IOP監視用途のために十分である、除核されたブタの眼上での1mmHgのIOP検出限界を実証した。 FIG. 1 shows an example of a workflow of the IOP self-measurement technique. The miLenS is distinctly different from other sensors because the patient will be able to install and remove it on their own, similar to regular contact lenses. As the IOP increases or decreases, the radius of curvature of the cornea changes (each 1 mmHg change in IOP causes a 4 μm change in radius of curvature). In this technique, the fluid level in the sensor's microfluidic sensing channel will change in response to changes in the radius of curvature on the cornea. The sensor response will be detected using a smartphone camera equipped with an optical adapter and then converted to a pressure value by the smartphone app. This will eliminate security and health concerns associated with radio frequencies or Bluetooth® data transfer methods. We have demonstrated an IOP detection limit of 1 mmHg on the eye of enucleated pigs, which is sufficient for IOP monitoring applications.

電子回路に類似する、マイクロ流体回路は、ローまたはハイパスフィルタとして機能することができる(電気抵抗および静電容量は、それぞれ、圧縮性材料の流体抵抗(R)およびコンプライアンス(C)によって置換される)。RC値は、センサ応答の時定数を決定するであろう。大きいRC値を伴うセンサは、急速な変化に応答しないであろうが、緩慢に変動する日内変動に対して敏感であるであろう。小さいRC値を伴うセンサは、瞬目および眼球脈動の効果を検出する能力を有するであろう。 Similar to electronic circuits, microfluidic circuits can act as low or high pass filters (electrical resistance and capacitance are replaced by the fluid resistance (R) and compliance (C) of the compressible material, respectively. ). The RC value will determine the time constant of the sensor response. Sensors with large RC values will not respond to rapid changes, but will be sensitive to slowly fluctuating chronotypes. Sensors with small RC values will have the ability to detect the effects of blinks and eye pulsations.

一例示的実施形態では、マイクロ流体歪みセンサ(図2A)は、ウェアラブル感知用途のためにPDMSコンタクトレンズ(図2B)に統合される。図3-4のセンサ材料302を伴うセンサ300を参照すると、センサ300は、コンタクトレンズ310内に埋設され、液体リザーバ320(変位された液体体積を増幅し、本実施例では、液体リザーバリングとして示される)、ガスリザーバ330、および一方の端部上で液体リザーバ320に接続され、他方の端部上でガスリザーバ330に接続される、感知チャネル340に区別される。最初に、液体リザーバ320は、毛細管作用を使用して、油等の作業液体を用いて充填され、次いで、シールされる。これは、感知チャネル340内に安定したガス/液体界面350を作成し、閉鎖型マイクロ流体ネットワークを形成する。IOP増減は、角膜の曲率半径を変化させ、IOPの1mmHg増加毎に、角膜の曲率半径は、4μm増加する。これは、液体リザーバ弾性壁に対して印加される歪みに起因して、液体リザーバ体積を増加させる。増加されたリザーバ体積は、真空を作成し、感知チャネル340内のガス/液体位置350を液体リザーバ320に向かって偏移させる。感知チャネル断面積が、低減されるにつれて、リザーバ体積変化に適応するために要求される線形液体変位は、増加し、したがって、感度は、向上する。 In one exemplary embodiment, the microfluidic strain sensor (FIG. 2A) is integrated into a PDMS contact lens (FIG. 2B) for wearable sensing applications. Referring to the sensor 300 with the sensor material 302 of FIG. 3-4, the sensor 300 is embedded in the contact lens 310 and as a liquid reservoir 320 (amplifying the displaced liquid volume and in this embodiment as a liquid reservoir ring). Shown), a gas reservoir 330, and a sensing channel 340 connected to the liquid reservoir 320 on one end and connected to the gas reservoir 330 on the other end. First, the liquid reservoir 320 is filled with a working liquid such as oil using capillary action and then sealed. This creates a stable gas / liquid interface 350 within the sensing channel 340 and forms a closed microfluidic network. Increasing or decreasing the IOP changes the radius of curvature of the cornea, and for every 1 mmHg increase in IOP, the radius of curvature of the cornea increases by 4 μm. This increases the liquid reservoir volume due to the strain applied to the liquid reservoir elastic wall. The increased reservoir volume creates a vacuum and shifts the gas / liquid position 350 within the sensing channel 340 towards the liquid reservoir 320. As the sensing channel cross-sectional area decreases, the linear liquid displacement required to adapt to changes in reservoir volume increases, and thus sensitivity increases.

図5は、マイクロ流体歪みセンサの2つの例示的設計、すなわち、液体リザーバに関する単一のリング510対3つのリング520の上面図を示す。液体リザーバの垂直壁表面積を増加させることは、IOPの変化に対するセンサの感度を増加させる。これは、2つの方法、すなわち、i)壁の数を増加させること、ii)チャネル壁の高さを増加させることにおいて試験された。最初に、本発明者らは、例えば、520によって示されるような複数の液体リザーバリングを伴うセンサを設計および加工し、したがって、合計壁表面積を増加させた。異なる数のリングに関する感度結果は、図6-7に提示される。本発明者らは、より多くのリングを追加することによって壁の数を増加させることが、線形様式で本デバイスの感度を増加させることを見出した。対照的に、リザーバの幅は、感度に対して有意な効果を及ぼさなかった。本現象は、図8に示されるような接線方向歪みと半径方向力が誘発した圧潰との間の相互作用の直接的結果である。リザーバ壁高さの効果を試験するために、本発明者らは、3つのタイプのセンサ(50、100、および330μm高さ)を構築し、それらの感度を比較した。図9に示されるように、リザーバ高さが、倍増するにつれて、感度もまた、倍増された。本発明者らが、リザーバ高さを330μmまで増加させると、感度もまた、3倍に増加し(200μm幅に関してのみ示される)、垂直壁高さの効果を証明した。図9はさらに、センサ剛性の効果を示す。150μm厚さのセンサが、300μm厚さのものと比較されるとき(100Tおよび330Tによって示される)、より厚いセンサは、~50%のより低い感度を有する。 FIG. 5 shows two exemplary designs of a microfluidic strain sensor, namely a top view of a single ring 510 vs. three rings 520 for a liquid reservoir. Increasing the vertical wall surface area of the liquid reservoir increases the sensitivity of the sensor to changes in IOP. This was tested in two ways: i) increasing the number of walls, ii) increasing the height of the channel walls. First, we designed and machined a sensor with multiple liquid reservoir rings, for example as shown by 520, thus increasing the total wall surface area. Sensitivity results for different numbers of rings are presented in Figure 6-7. We have found that increasing the number of walls by adding more rings increases the sensitivity of the device in a linear fashion. In contrast, reservoir width had no significant effect on sensitivity. This phenomenon is a direct result of the interaction between tangential strain and radial force-induced crushing as shown in FIG. To test the effect of reservoir wall height, we constructed three types of sensors (50, 100, and 330 μm height) and compared their sensitivities. As shown in FIG. 9, as the reservoir height doubled, so did the sensitivity. When we increased the reservoir height to 330 μm, the sensitivity also increased 3-fold (shown only for 200 μm width), demonstrating the effect of vertical wall height. FIG. 9 further shows the effect of sensor stiffness. When a 150 μm thick sensor is compared to a 300 μm thick one (indicated by 100T and 330T), the thicker sensor has a lower sensitivity of ~ 50%.

要約すると、本発明者らは、センサ性能を理解および最適化するために、広いパラメータ範囲を実験的に精査した。本発明者らは、様々な数のリザーバリング(1~5つ)、リング幅(w=50~500μm)、リザーバ高さ(50、100、330μm)、チップ厚さ(130μm、300μm)、ならびに異なるヤング率約1MPa(PDMS)対約10MPa(NOA 65)および約100MPa(NOA 61)を伴うセンサを加工した。これらの感度試験の結果は、以下を実証した。i)増加された液体リザーバ高さは、感度を増加させる。ii)本発明者らは、必要に応じて(例えば、要求される連続装着コンタクトレンズ性質に応じて)、より多くのリザーバリングを設計に追加することによって感度を向上させることが可能である。iii)剛性(ヤング率(E)×チップ厚さ(t)/幅(w))は、感度を有意に改変しないが、しかしながら、これは、快適性およびレンズ/角膜の機械的相互作用等の他の因子を考慮して最適化される必要がある。 In summary, we have experimentally scrutinized a wide parameter range to understand and optimize sensor performance. We have various numbers of reservoir rings (1-5), ring width (w = 50-500 μm), reservoir height (50, 100, 330 μm), tip thickness (130 μm, 300 μm), and Sensors with different Young's moduli of about 1 MPa (PDMS) vs. about 10 MPa (NOA 65) and about 100 MPa (NOA 61) were machined. The results of these sensitivity tests demonstrated the following: i) Increased liquid reservoir height increases sensitivity. ii) We can improve sensitivity by adding more reservoir rings to the design as needed (eg, depending on the required continuous wear contact lens properties). iii) Rigidity (Young's modulus (E) x chip thickness (t) / width (w)) does not significantly alter sensitivity, however, it does, such as comfort and lens / corneal mechanical interactions. It needs to be optimized in consideration of other factors.

マイクロ流体歪み感知のためのオーゼティックメタマテリアル
センサの別のバージョンでは、マイクロ流体チャネルネットワーク高さは、印加される接線方向歪み1010に応答して増加する。体積増加は、エラストマセンサのリソグラフィパターン化を通したポアソン比修正によって達成される。図10は、コンタクトレンズセンサの断面を介して、歪み感知のためのオーゼティックメタマテリアルの作動原理を示す。マイクロ流体チャネルの天井は、示されるように、凸状形状を有する、すなわち、チャネル内部に向かって湾曲する。これは、図11に示されるような円形または線形パターンのいずれかを伴う天井フィルムをパターン化することによって達成される。これらは、本発明者らが試験した唯一のパターンであるが、他のパターンも、同一の効果を得るために使用されることができる。図10に示されるように、接線方向力が、印加されると(すなわち、IOP変化に起因して)、天井は、平坦な天井が使用されるときに観察される圧潰と対照的に、凸状天井のため、外向きに変形される。センサの前面に向かう本変形は、2017年9月9日に出願された米国仮特許出願第62/556366号(その中の図14)(参照することによって本明細書に組み込まれる)に示されるような本発明者らのCOMSOLシミュレーションによると、チャネル高さの増加、したがって、液体リザーバ体積拡張の増幅を引き起こす。本増幅は、センサの感度を増加させる。
In another version of the auxetic metamaterial sensor for microfluidic strain sensing, the microfluidic channel network height increases in response to the tangential strain 1010 applied. Volume increase is achieved by Poisson's ratio correction through lithography patterning of the elastomer sensor. FIG. 10 shows the working principle of an autetic metamaterial for strain sensing through a cross section of a contact lens sensor. The ceiling of the microfluidic channel has a convex shape, i.e., curves towards the inside of the channel, as shown. This is achieved by patterning the ceiling film with either a circular or linear pattern as shown in FIG. These are the only patterns we have tested, but other patterns can be used to achieve the same effect. As shown in FIG. 10, when a tangential force is applied (ie, due to the IOP change), the ceiling is convex as opposed to the crushing observed when a flat ceiling is used. Due to the shaped ceiling, it is deformed outward. This variant towards the front of the sensor is shown in US Provisional Patent Application No. 62/5563666 filed September 9, 2017 (FIG. 14 thereof) (incorporated herein by reference). According to our COMSOL simulations such as, it causes an increase in channel height and thus an amplification of liquid reservoir volume expansion. This amplification increases the sensitivity of the sensor.

図12は、天井上の凸状構造の線形パターンを伴うオーゼティックセンサ上の液体リザーバの画像を左側に示す。図12は、平坦および湾曲(オーゼティック)デバイスの間の実験的感度比較を右側に示す。感度増加は、2.5倍である。 FIG. 12 shows on the left an image of a liquid reservoir on an auxetic sensor with a linear pattern of convex structures on the ceiling. FIG. 12 shows an experimental sensitivity comparison between flat and curved (auxetic) devices on the right. The increase in sensitivity is 2.5 times.

生体適合性であり、電子機器のないマイクロ流体機械的メタマテリアルは、非常に敏感であり、信頼性のある歪みセンサの加工を可能にした。本発明者らが開発した接線方向歪み感知方法は、本発明者らの実験によって実証されるように、IOPに特有である。本発明者らは、ブタの眼におけるIOPを監視するために本アプローチを使用し、1mmHgの検出限界(0.05%歪みに対応する)および数週間にわたる信頼性を実証した。マイクロ流体歪みセンサは、臨床的に関連する範囲内のIOPに応答する形状変化に起因する眼の歪みを測定することができる。 Biocompatible, electronic-free microfluidic mechanical metamaterials have made it possible to process highly sensitive and reliable strain sensors. The tangential strain sensing method developed by the present inventors is unique to IOP, as demonstrated by the experiments of the present inventors. We used this approach to monitor IOP in the porcine eye, demonstrating a detection limit of 1 mmHg (corresponding to 0.05% strain) and reliability over several weeks. Microfluidic strain sensors can measure eye strain due to shape changes in response to IOP within clinically relevant ranges.

製造
本発明者らは、フォトリソグラフィおよびソフトリソグラフィ技法を使用してセンサを構築した。最初に、ポリジメチルシロキサン(PDMS)軟質金型が、加工された。センサ材料として、ポリウレタンベースのNorland光学接着剤65(NOA65)が、その透明性、可撓性、疎油性、および生体適合性に起因して選定された。次いで、要求される特徴を伴う薄いNOA65フィルムが、作製され、図13に示されるように、センサを作製するためにともに接合された。本発明の目的のために、本発明者らは、極端に薄い(約100μm)マイクロ流体デバイスを構築するために、具体的加工方法を開発した。本発明者らのデバイスにおいて使用されるポリウレタンのガス透過性は、ウェアラブル電子機器において使用される金属よりも6~8桁低い。
Manufacturing We constructed sensors using photolithography and soft lithography techniques. First, a polydimethylsiloxane (PDMS) soft mold was processed. As the sensor material, a polyurethane-based Norland optical adhesive 65 (NOA65) was selected due to its transparency, flexibility, oleophobicity, and biocompatibility. A thin NOA65 film with the required characteristics was then made and joined together to make the sensor, as shown in FIG. For the purposes of the present invention, the inventors have developed a specific processing method for constructing an extremely thin (about 100 μm) microfluidic device. The gas permeability of polyurethane used in our devices is 6-8 orders of magnitude lower than that of metals used in wearable electronics.

本発明者らは、最初に、歪みセンサを所望の形状に切断し、平坦な100μm歪みセンサ(図2A)をPDMSコンタクトレンズの中に埋設した。本発明者らは、本発明者らのセンサを平坦に構築したが、それらはまた、湾曲した金型が、使用される場合、湾曲して構築されることもできる。本発明者らは、本発明者らが、図2Bに示されるような8~15mm曲率半径および10~14半径を伴うコンタクトレンズを構築し得る、加工プロトコルを開発した。本発明者らは、ドーム形プラスチック金型を使用し、そこで、本発明者らは、それらの上にPDMSを流し込み、所望の曲率半径における10~100μmシリコーンフィルムを取得し、本発明者らは、(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(APTES)化学構造によってシリコーンフィルム上に本発明者らのセンサを接合した。次いで、シリコーン内にセンサを完全に埋設するために、より多くのシリコーンを流し込んだ。詳細は、図14に示される。最後に、本発明者らは、シリコーンを室温において一晩硬化させた後、円形パンチャを用いてレンズを切り抜いた。本発明者らは、コンタクトレンズセンサ全体が、150μm未満であり得るように、50μm厚さと同程度に薄いセンサを構築するためのプロセスおよび技法を開発した。 We first cut the strain sensor into a desired shape and embedded a flat 100 μm strain sensor (FIG. 2A) in a PDMS contact lens. We have constructed our sensors flat, but they can also be constructed curved if a curved mold is used. We have developed a processing protocol that allows us to construct contact lenses with an 8-15 mm radius of curvature and a 10-14 radius as shown in FIG. 2B. We used dome-shaped plastic molds, where we poured PDMS over them to obtain a 10-100 μm silicone film with a desired radius of curvature, and we , (3-Aminopropyl) Triethoxysilane (APTES) chemical structure was used to bond our sensors onto a silicone film. Then more silicone was poured to completely embed the sensor in the silicone. Details are shown in FIG. Finally, we cured the silicone overnight at room temperature and then cut out the lens using a circular puncher. We have developed processes and techniques for constructing sensors as thin as 50 μm so that the entire contact lens sensor can be less than 150 μm.

オーゼティックセンサバージョンに関して、製造における唯一の差異は、図13のステップ4におけるものであり、本発明者らは、底部層として平坦フィルムの代わりに、パターン化されたフィルムを使用した。パターン化は、図15に示されるように行われた。 With respect to the auxetic sensor version, the only difference in manufacture was in step 4 of FIG. 13, where we used a patterned film instead of a flat film as the bottom layer. The patterning was done as shown in FIG.

変形例および修正
1)マイクロ流体歪み感知原理は、歪み感知が必要である広い範囲の医療用途のために使用され得る。緑内障管理以外の生物医学的用途は、物理療法監視(例えば、手の関節の傷害において)、音声認識、胎児/乳児監視、振戦疾患、ロボット工学等として列挙され得る。
Modifications and Modifications 1) Microfluidic strain sensing principles can be used for a wide range of medical applications where strain sensing is required. Biomedical applications other than glaucoma management can be listed as physiotherapy monitoring (eg, in wrist joint injury), speech recognition, fetal / infant monitoring, tremor disease, robotics, and the like.

2)マイクロ流体歪み感知は、生物感知および生化学的感知のために使用されることができる。例えば、これは、表面上の細胞によって印加される歪みを測定するために監視するために使用されることができる。機械的キューは、細胞分化、アポトーシス、および運動性等の細胞プロセスにおいて重要な役割を果たす。細胞は、それらが成長する基質に対する力を感知および付与する。腫瘍細胞は、通常の細胞よりも多くの力を発生させる。代表的な物理的キューのうちの1つである剪断応力は、機械的信号によって活性化される遺伝子の発現増加を引き起こしている。細胞によって発生される機械的キューを理解することは、細胞の機械的シグナル伝達経路の変異によって誘起される癌の進行を理解するために重要であろう。本発明者らの歪みセンサは、異なる物理的および機械的キューの暴露下の直接癌細胞信号伝達の直接監視を提供するであろう。したがって、これは、癌研究における新規のアプローチをもたらすであろう。本発明者らのセンサを使用することによって、新しいバイオマーカが、発見され、ならびに新しい薬物療法が、実装され得る。これらのデバイスはまた、力が、シナプス可塑性の進行に関する重要な因子のうちの1つであるため、ニューロンのシナプス可塑性の調整を含む、いくつかの他の条件においても役立つであろう。 2) Microfluidic strain sensing can be used for biological and biochemical sensing. For example, it can be used to monitor to measure the strain applied by cells on the surface. Mechanical cues play important roles in cellular processes such as cell differentiation, apoptosis, and motility. The cells sense and confer forces on the substrate on which they grow. Tumor cells generate more force than normal cells. Shear stress, one of the representative physical cues, causes increased expression of genes activated by mechanical signals. Understanding the mechanical cues generated by cells will be important for understanding cancer progression induced by mutations in cell mechanical signaling pathways. Our strain sensors will provide direct monitoring of direct cancer cell signaling under exposure to different physical and mechanical cues. Therefore, this will bring a new approach in cancer research. By using our sensors, new biomarkers can be discovered and new drug therapies can be implemented. These devices will also be useful in several other conditions, including the regulation of neuronal synaptic plasticity, as force is one of the key factors in the progression of synaptic plasticity.

異なる条件への細胞の応答を理解するために、マイクロ流体チャネルの2つの層が、図16に示されるように構築されることができる。細胞が、成長するにつれて、底部チャネル上の歪みセンサを撮像し得る。これは、組織硬直を提供するであろう。上部チャネルもまた、剪断応力を変化させる異なる流率を適用することによって操作されることができる。本設計では、細胞の機械的応答が、それらが、機械的に操作されている間に観察されることができる。本設計は、バイオマーカおよび薬物開発において使用されるであろう。 To understand the cell's response to different conditions, two layers of microfluidic channels can be constructed as shown in FIG. As the cell grows, it can image the strain sensor on the bottom channel. This will provide tissue rigidity. The upper channel can also be manipulated by applying different fluxions that change the shear stress. In this design, the mechanical responses of cells can be observed while they are mechanically manipulated. This design will be used in biomarkers and drug development.

癌組織は、それらが進行するにつれて、より剛性の特質を示す。平均して、癌細胞は、通常の組織の4倍の剛性を有するであろう。癌細胞のより早期の剛性を理解することは、より早期の癌検出につながるであろう。歪みセンサは、皮膚上で外部から使用され得るパッチの中に組み込まれ得る。具体的には、これは、皮膚および乳癌タイプにおいて使用され得る。マイクロチャネル内に埋設される赤外線ビーズを伴うそのようなパッチは、卵巣癌、肝臓癌、および脳癌の場合に、最適化され、内臓に埋込され得る。特に、これらのパッチは、癌の再発を監視するために、重度の腫瘍除去外科手術後に埋込され得る。マイクロ流体力学ベースの歪みセンサを可撓性シリコン電子機器と組み合わせることは、生体内の3次元軟質組織に対する多重測定を可能にするであろう。本信号は、wi-fi埋設技術を使用して、クラウドベースのシステムに転送され得る。全体として、高度な電子機器を組み込まれた歪みセンサは、癌の再発の可能性が高い組織の持続的監視を提供するであろう。 Cancer tissues exhibit more rigid properties as they progress. On average, cancer cells will have four times the stiffness of normal tissue. Understanding the earlier stiffness of cancer cells will lead to earlier cancer detection. The strain sensor can be incorporated into a patch that can be used externally on the skin. Specifically, it can be used in skin and breast cancer types. Such patches with infrared beads embedded in microchannels can be optimized and implanted in internal organs in the case of ovarian, liver and brain cancers. In particular, these patches can be implanted after severe tumor removal surgery to monitor the recurrence of the cancer. Combining a microfluidic-based strain sensor with a flexible silicon device will enable multiple measurements of 3D soft tissue in vivo. This signal can be transferred to a cloud-based system using wi-fi burial technology. Overall, strain sensors incorporating advanced electronics will provide continuous monitoring of tissues that are likely to have cancer recurrence.

3)miLenSは、i)説明されるように、所望の形状/サイズを伴う歪みセンサをコンタクトレンズの中に埋設するか、またはii)金型上の特徴がコンタクトレンズに伝達される、ソフトリソグラフィを通してコンタクトレンズの表面上に所望のトポグラフィを直接パターン化するかのいずれかによって製造されることができる。 3) miLenS is i) embedding a strain sensor with the desired shape / size in the contact lens as described, or ii) soft lithography in which the features on the mold are transmitted to the contact lens. It can be manufactured by either directly patterning the desired topography on the surface of the contact lens through.

4)コンタクトレンズ上の微細な幾何学的特徴の間の距離は、マイクロ流体力学を使用する代わりに、直接測定されることができる。本距離は、IOPの関数として変化するであろう。これらの特徴の幾何学的形状およびパターンは、IOPに対する感度を最大限にするように慎重に選択されるべきである。IOPは、miLenSに類似する幾何学的特徴を伴うコンタクトレンズセンサ(geoLenS)の撮像に基づいて測定されるであろう。図17は、例示的geoLenSの上面図および側面図を示す。IOP決定のために使用されるべき微細な特徴の場所および形状が、示される。上面図および側面図に示される星形形状の他に、他の例示的形状もまた、提供される。これらの形状の組み合わせもまた、使用されることができる。上面図では、コンタクトレンズの半径は、rによって表され、rの値は、0.5~1cmであり得る。θは、コンタクトレンズの周辺に位置付けられる特徴の間の角度を示し、これは、コンタクトレンズ上に角度的に設置されるであろう特徴の数を決定する。θは、10°(周辺における36個の特徴)~180°(周辺における2つの特徴)であり得る。最小で2つの特徴が、コンタクトレンズ上に必要とされる。d、d、d、...dは、連続する特徴の間の距離を表し、0.01~1cmであり得る。合計距離d=d+d+d+...+dは、rよりも小さいはずである。側面図に示されるコンタクトレンズの曲率半径rは、0.5~1cmであり得る。特徴の特徴的幅wは、0.001~0.5cmであり得る。 4) Distances between fine geometric features on contact lenses can be measured directly instead of using microfluidics. This distance will change as a function of IOP. The geometry and pattern of these features should be carefully selected to maximize sensitivity to IOP. IOP will be measured based on imaging of a contact lens sensor (geoLenS) with geometric features similar to miLenS. FIG. 17 shows a top view and a side view of an exemplary geoLenS. The location and shape of the subtle features to be used for IOP determination is shown. In addition to the star shapes shown in the top and side views, other exemplary shapes are also provided. A combination of these shapes can also be used. In the top view, the radius of the contact lens is represented by r and the value of r can be 0.5-1 cm. θ indicates the angle between features located around the contact lens, which determines the number of features that will be angularly placed on the contact lens. θ can be from 10 ° (36 features in the periphery) to 180 ° (2 features in the periphery). A minimum of two features are needed on the contact lens. d 1 , d 2 , d 3 , ... .. .. d n represents the distance between successive features and can be 0.01-1 cm. Total distance d = d 1 + d 2 + d 3 +. .. .. + D n should be less than r. The radius of curvature rc of the contact lens shown in the side view can be 0.5 to 1 cm. The characteristic width w of the feature can be 0.001 to 0.5 cm.

IOPが、変化するにつれて、周辺特徴の間の距離、例えば、dは、変化し、IOP変化の測度として使用されることができる。中心特徴の間の距離、例えば、dまたはd、もしくは任意の特徴の幅wは、それらが、IOPに応答して変化しないため、基準測定値として使用されることができる。周辺における対向する特徴の間の距離(合計距離は、2d)は、IOP変化への応答として最も変化する。眼の既知の特徴(すなわち、虹彩の境界)までのgeoLenS特徴のうちのいずれか1つの距離は、IOPの測度として検出されることができる。 As the IOP changes, the distance between the peripheral features, eg d 1 , changes and can be used as a measure of the IOP change. Distances between central features, such as d 2 or d 3 , or the width w of any feature, can be used as reference measurements because they do not change in response to the IOP. The distance between opposing features in the perimeter (total distance is 2d) varies most in response to IOP changes. The distance of any one of the geoLenS features to a known feature of the eye (ie, the border of the iris) can be detected as a measure of IOP.

上記に提案される概念の実行可能性を試験するために、本発明者らは、PDMSから作製され、約250μmの厚さを有するコンタクトレンズを加工した。試験のために、本発明者らは、2017年9月9日に出願された米国仮特許出願第62/556366号(その中の図19の左側)(参照することによって本明細書に組み込まれる)に示されるようなPDMSから作製される現実的な眼モデルを加工した。 To test the feasibility of the concepts proposed above, we have machined contact lenses made from PDMS and having a thickness of about 250 μm. For testing purposes, the inventors are incorporated herein by reference to US Provisional Patent Application No. 62/556366 filed September 9, 2017 (in the left side of FIG. 19). ), A realistic eye model made from PDMS was machined.

眼モデルの曲率半径は、約4μm/mmHg(3μm/mbar)変化し、これは、ヒトの眼の挙動に非常に近い。 The radius of curvature of the eye model varies by about 4 μm / mmHg (3 μm / mbar), which is very close to the behavior of the human eye.

2017年9月9日に出願された米国仮特許出願第62/556366号(その中の図19の右側)(参照することによって本明細書に組み込まれる)に示されるように、本発明者らは、コンタクトレンズ上にマークを付け、本発明者らは、本発明者らが作成した眼モデル上にこれを設置した。これらのマークは、プローブとしての役割を果たし、本発明者らが、印加される圧力の関数として、コンタクトレンズ上の異なる場所の間の距離の変化を測定することを可能にした。本発明者らは、25mbarから100mbarに変動する、4つのレベルの圧力を眼モデルにおいて印加した。本発明者らは、コンタクトレンズ上の4つの場所(3つの距離測定値)をサンプリングし、これらの場所の間の距離が、2017年9月9日に出願された米国仮特許出願第62/556366号(その中の図29)(参照することによって本明細書に組み込まれる)に示されるように、印加される圧力の関数としてプロットされる。コンタクトレンズの中心上に位置する点は、場所「1」として標識化され、その数は、点が、中心から遠くに位置するにつれて増加される(例えば、場所「2」)。異なるマーキングされた点の間の距離(例えば、場所「1」-場所「2」)が、測定された。図20では、青色、赤色、および緑色線は、それぞれ、場所1-2、場所2-4、および場所4-6に関する印加される圧力の関数としての距離を示す。対応する線形フィットも、同様にプロットされる。全体として、予備調査結果は、geoLenS上の異なる場所の間の距離が、印加される圧力の線形関数に従い、これが、測定可能範囲内であることを示している。 As set forth in US Provisional Patent Application No. 62/556366 filed September 9, 2017 (on the right side of FIG. 19) (incorporated herein by reference), the inventors of the present invention. Marked on the contact lens and we placed it on the eye model we created. These marks acted as probes, allowing us to measure changes in distance between different locations on contact lenses as a function of applied pressure. We applied four levels of pressure in the ocular model, varying from 25 mbar to 100 mbar. We sampled four locations (three distance measurements) on contact lenses and the distance between these locations was filed September 9, 2017, US Provisional Patent Application No. 62 /. It is plotted as a function of the applied pressure, as shown in 556366 (in which FIG. 29) (incorporated herein by reference). Points located on the center of the contact lens are labeled as location "1" and the number is increased as the points are located farther from the center (eg, location "2"). The distance between the different marked points (eg, location "1" -location "2") was measured. In FIG. 20, the blue, red, and green lines indicate distances as a function of applied pressure for locations 1-2, location 2-4, and location 4-6, respectively. The corresponding linear fit is plotted in the same way. Overall, preliminary findings indicate that the distance between different locations on geoLenS follows a linear function of the applied pressure, which is within the measurable range.

5)geoLenS特徴は、miLenSと同様に加工されることができる、またはそれらは、単に、インクを用いてマーキングされることができる。 5) geoLenS features can be processed in the same way as miLenS, or they can simply be marked with ink.

6)miLenSリザーバチャネルは、円形の代わりに、蛇行形状を有することができる。 6) The miLenS reservoir channel can have a meandering shape instead of a circular shape.

7)本デバイスは、これが、材料の熱膨張に対して敏感であるため、温度センサとして使用されることができる。 7) The device can be used as a temperature sensor because it is sensitive to the thermal expansion of the material.

8)本デバイスは、気圧変化に対して感度が低い。これは、真空中で、例えば、宇宙用途において使用されることができる。 8) This device has low sensitivity to changes in atmospheric pressure. It can be used in vacuum, for example in space applications.

9)画像は、スマートフォンカメラによって、特別なハンドヘルドカメラによって、またはウェアラブルカメラによって撮影されることができる。画像は、眼の真向かいから、45°角度において、または90°角度において、もしくは0°~90°角度の任意の角度において撮影されることができる。 9) Images can be taken by a smartphone camera, by a special handheld camera, or by a wearable camera. Images can be taken from directly opposite the eye at a 45 ° angle, or at a 90 ° angle, or at any angle between 0 ° and 90 °.

10)スマートフォンの正面または背面カメラが、撮像のために使用されることができる。 10) A front or rear camera of the smartphone can be used for imaging.

11)画像は、患者によって、随意に、または患者が電話上で何らかのものを読み取っているときに自動的に収集されることができる。 11) Images can be collected by the patient at will, or automatically when the patient is reading something on the phone.

12)画像分析は、カメラのマイクロプロセッサによって行われることができる、またはさらなる処理のために主要サーバに転送されることができる。 12) Image analysis can be performed by the microprocessor of the camera or transferred to a major server for further processing.

13)患者は、データ記憶、分析等のクラウドサービスのサブスクリプションへの支払を行うことができる。 13) Patients can pay for subscriptions to cloud services such as data storage and analysis.

14)miLenSチャネルは、虹彩または強膜に対するコントラストを向上させるために、着色された液体を用いて充填されることができる。 14) The miLenS channel can be filled with a colored liquid to improve the contrast to the iris or sclera.

付加的技術注記
本発明は、歪み感知用途のための閉鎖型マイクロ流体ネットワークに関する。本デバイスは、リングの数に応じて、1%歪みあたり2~15mm界面移動の歪み感度を有する。感度は、リングの数を増加させることによって、なおもさらに増加されることができる。これは、24時間にわたって印加される圧力変化に耐えるために十分にロバストであり、数カ月の寿命を有する。これらの特徴は、0.1%よりも小さい極端な歪みレベルが、2時間よりも長い時間周期にわたって測定される必要がある用途のためにこれを魅力的にする。本発明者らは、眼内圧(IOP)を監視するために、センサをコンタクトレンズの中に埋設した。IOPに関する要求される検出限界は、1mmHgである。これは、0.05%の歪みに対応する。本発明者らは、液体リザーバとしての複数のマイクロ流体チャネルを含む液体リザーバネットワークを設計することによって、本歪み検出限界を達成した。液体リザーバネットワークは、感知チャネルに接続され、感知チャネルは、空気リザーバに接続される。これらの3つの構成要素は、閉鎖型システムを形成する。1つの可能性として考えられる構成におけるその3つの構成要素を伴うセンサが、図3に示される。図3は、これがコンタクトレンズ内に埋設されているときを示す、センサの上面図である。センサは、毛細管力のみを使用して、入口から作業液体を用いて充填される。作業液体が、出口に到達すると、入口および出口の両方が、センサ材料を使用してシールされ、内側に固定された液体体積を伴う閉鎖型システムを形成する。この時点で、液体は、その合計長さの約半分まで感知チャネルを充填し、液体/空気界面を作成する。コンタクトレンズおよびセンサは両方とも、シリコーンおよびポリウレタン等のエラストマから作製されるが、シリコーン/ヒドロゲル等の他の材料から作製されることもできる。
Additional Technical Notes The present invention relates to closed microfluidic networks for strain sensing applications. The device has a strain sensitivity of 2-15 mm interfacial movement per 1% strain, depending on the number of rings. Sensitivity can still be further increased by increasing the number of rings. It is robust enough to withstand pressure changes applied over a 24-hour period and has a lifespan of several months. These features make this attractive for applications where extreme strain levels less than 0.1% need to be measured over time periods longer than 2 hours. We have embedded a sensor in a contact lens to monitor intraocular pressure (IOP). The required detection limit for IOP is 1 mmHg. This corresponds to a strain of 0.05%. We have achieved this strain detection limit by designing a liquid reservoir network that includes multiple microfluidic channels as a liquid reservoir. The liquid reservoir network is connected to the sensing channel and the sensing channel is connected to the air reservoir. These three components form a closed system. A sensor with its three components in a possible configuration is shown in FIG. FIG. 3 is a top view of the sensor showing when it is embedded in a contact lens. The sensor is filled with working liquid from the inlet using only capillary force. When the working liquid reaches the outlet, both the inlet and outlet are sealed using sensor material to form a closed system with a fixed liquid volume inside. At this point, the liquid fills the sensing channel to about half its total length, creating a liquid / air interface. Both contact lenses and sensors are made from elastomers such as silicone and polyurethane, but can also be made from other materials such as silicone / hydrogel.

センサは、これが、接線方向力下で伸展されるとき、マイクロ流体液体リザーバネットワークの体積増幅に基づいて機能する。センサの作動原理は、図4に説明される。ここでは、それらが、半径方向に分散される代わりに、線形に分散される、センサ構成要素の別の構成が、簡略化のために使用される。複数のチャンバA)対単一の幅広チャンバB)を有し得る液体リザーバを伴うセンサの側面図が、比較される。センサが、接線方向力下で伸展されると、センサおよびその構成要素の形状は、それぞれ、A)およびB)に描写されるように変化する。410-Aおよび410-Bは、液体リザーバの近傍におけるセンサ上の可能性として考えられる応力領域の表現である。参照のために、センサの合計初期長さは、1-1’として示され、合計初期液体リザーバネットワーク幅は、2-2’として示され、液体空気界面の初期位置は、3として示される。そのような閉鎖型マイクロ流体ネットワークが、接線方向力下で伸展されるときに起こり得る、3つの顕著な機械的変化が、存在する。 The sensor functions based on the volume amplification of the microfluidic liquid reservoir network when it is extended under tangential force. The operating principle of the sensor is illustrated in FIG. Here, another configuration of sensor components is used for simplification, where they are linearly distributed instead of being distributed radially. Side views of a sensor with a liquid reservoir that may have multiple chambers A) vs. a single wide chamber B) are compared. When the sensor is extended under tangential force, the shape of the sensor and its components changes as depicted in A * ) and B * ), respectively. 410-A and 410-B are representations of possible stress regions on the sensor in the vicinity of the liquid reservoir. For reference, the total initial length of the sensor is shown as 1-1', the total initial liquid reservoir network width is shown as 2-2', and the initial position of the liquid air interface is shown as 3. There are three significant mechanical changes that can occur when such a closed microfluidic network is stretched under tangential force.

i)伸長:A)およびB)が、それぞれ、A)およびB)と比較されると、合計センサ長さ(1-1’)は、伸長に起因して増加するであろうことが分かり得る。同様に、液体リザーバネットワーク幅(2-2’)もまた、増加するであろう。 i) Elongation: When A * ) and B * ) are compared to A) and B), respectively, the total sensor length (1-1') may increase due to elongation. I understand. Similarly, the liquid reservoir network width (2-2') will also increase.

ii)圧潰:単一のリザーバの場合では、液体リザーバの上方の薄い膜は、B)に示されるように、誘発された応力に起因して、かつ本膜の低いリジディティに起因して、圧潰するであろう。より高いリジディティの膜を伴う複数のチャンバが、使用されるとき、圧潰は、A)に示されるように、起こらないであろう、または有意に減少するであろう。 ii) Crushing: In the case of a single reservoir, the thin membrane above the liquid reservoir is due to the induced stress and due to the low rigidity of the membrane, as shown in B * ). Will crush. When multiple chambers with higher rigid membranes are used, crushing will not occur or will be significantly reduced, as shown in A * ).

iii)液体リザーバ体積増加および結果として生じる真空効果:液体リザーバ幅が、伸長されると、その合計体積は、膜圧潰が、防止される、または有意に低減され得る場合、増加するであろう。本体積増加は、液体リザーバが、B)に示されるような小さい幅を伴う複数のチャンバから成る場合、増幅されることができる。増幅は、オーゼティックパターンが、小さいリザーバチャンバの膜上に作成されるとき、さらに大きくなるであろう。液体リザーバの体積が、増加すると、これは、真空効果を引き起こし、本真空は、液体リザーバに向かって液体/空気界面位置(3)を引動する。mmHg単位におけるIOP変化あたりのμm単位における本界面の移動は、感度として定義される。文献によると、各1mmHg IOP変化は、0.05%の歪みを引き起こす。本歪みは、界面位置に対して約100μm位置変化を引き起こす。 iii) Liquid reservoir volume increase and consequent vacuum effect: As the liquid reservoir width is extended, its total volume will increase if membrane crushing can be prevented or significantly reduced. This volume increase can be amplified if the liquid reservoir consists of multiple chambers with a small width as shown in B * ). Amplification will be even greater when the auxetic pattern is created on the membrane of the small reservoir chamber. As the volume of the liquid reservoir increases, this causes a vacuum effect, which pulls the liquid / air interface position (3) towards the liquid reservoir. The movement of this interface in μm per μm change in mmHg is defined as sensitivity. According to the literature, each 1 mmHg IOP change causes a strain of 0.05%. This strain causes a position change of about 100 μm with respect to the interface position.

最大感度のために考慮されるべき別の因子は、センサ材料のヤング率(E)である。Eを増加させることは、快適性を低減させる。高潤滑性を伴うコンタクトレンズが、向上された快適性のために使用されるとき、角膜とセンサ/レンズとの間の接触摩擦は、減少し、これは、特に、高Eセンサに関して、滑動および減少された感度を引き起こすであろう。本発明者らの実験およびシミュレーション結果によると、最適なEは、最大感度および快適性のために、0.2~10MPaの範囲内である。Eが、2MPaを下回って低減されるにつれて、リザーバチャネルの幅もまた、100μmを下回って低減される必要性がある。 Another factor to consider for maximum sensitivity is Young's modulus (E) of the sensor material. Increasing E reduces comfort. When contact lenses with high lubricity are used for improved comfort, the contact friction between the cornea and the sensor / lens is reduced, which is especially for high E sensors, gliding and Will cause reduced sensitivity. According to our experiments and simulation results, the optimum E is in the range of 0.2-10 MPa for maximum sensitivity and comfort. As E is reduced below 2 MPa, the width of the reservoir channel also needs to be reduced below 100 μm.

Claims (17)

眼内圧変化を監視するためのマイクロ流体歪み感知デバイスであって、
(a)コンタクトレンズと、
(b)前記コンタクトレンズに埋設される閉鎖型マイクロ流体ネットワークと
を備え、
前記閉鎖型マイクロ流体ネットワークは、印加された歪みに対して敏感である体積を有し、前記閉鎖型マイクロ流体ネットワークはさらに、
(i)ガスを含有するガスリザーバと、
(ii)液体リザーバであって、前記液体リザーバは、前記歪みが、印加されると、体積を変化させる液体を含有する、液体リザーバと、
(iii)感知チャネル内に前記液体を保持することが可能である前記感知チャネルと
を備え、
前記感知チャネルは、1つの端部上に前記ガスリザーバを接続し、別の端部上に前記液体リザーバを接続し、
前記感知チャネルは、角膜上の曲率半径変動への応答として、または前記角膜の機械的伸展および解放への応答として流体的に変化するであろう前記感知チャネル内の液体-ガス平衡圧力界面および平衡を確立し、
前記液体-ガス平衡圧力界面および平衡は、前記眼内圧を測定するために使用される、マイクロ流体歪み感知デバイス。
A microfluidic strain sensing device for monitoring changes in intraocular pressure.
(A) Contact lenses and
(B) Provided with a closed microfluidic network embedded in the contact lens.
The closed microfluidic network has a volume that is sensitive to the strain applied, and the closed microfluidic network further comprises.
(I) A gas reservoir containing gas and
(Ii) A liquid reservoir, wherein the liquid reservoir contains a liquid that changes its volume when the strain is applied.
(Iii) The sensing channel is provided with the sensing channel capable of holding the liquid in the sensing channel.
The sensing channel connects the gas reservoir on one end and the liquid reservoir on the other end.
The sensing channel will change fluidly in response to a variation in radius of curvature on the cornea or in response to mechanical extension and release of the cornea. Liquid-gas equilibrium pressure interface and equilibrium within the sensing channel. Established,
The liquid-gas equilibrium pressure interface and equilibrium are microfluidic strain sensing devices used to measure the intraocular pressure.
前記液体リザーバは、少なくとも1つのリングを形成し、前記空気リザーバは、前記少なくとも1つのリングの内側に位置付けられる、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the liquid reservoir forms at least one ring, and the air reservoir is located inside the at least one ring. 前記液体リザーバ体積は、前記コンタクトレンズを装着する眼に対する半径方向力と比べて、前記眼に対する接線方向力に対して非常に敏感である、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the liquid reservoir volume is very sensitive to a tangential force to the eye as compared to a radial force to the eye wearing the contact lens. 前記液体リザーバは、半径方向における高い剛性、および/または、接線方向における剛性と比べてより小さいチャネル幅を有し、前記液体リザーバが外力に対して感度が低くなることをもたらす、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The liquid reservoir has a high stiffness in the radial direction and / or a channel width smaller than the stiffness in the tangential direction, resulting in the liquid reservoir being less sensitive to external forces, claim 1. The described intraocular pressure monitoring device. 前記コンタクトレンズは、シリコーンコンタクトレンズ、ヒドロゲルコンタクトレンズ、またはそれらの組み合わせである、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the contact lens is a silicone contact lens, a hydrogel contact lens, or a combination thereof. 前記感知チャネルは、前記液体リザーバに印加される約1%歪みあたり約4.5mm界面移動の歪み感度を有する、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device of claim 1, wherein the sensing channel has a strain sensitivity of about 4.5 mm interfacial movement per about 1% strain applied to the liquid reservoir. 前記感知チャネルは、約1~10mmの内径を有する、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the sensing channel has an inner diameter of about 1 to 10 mm. 前記感知チャネルは、10-11~10-8の断面積を伴う内径5~12mmの内径を有する、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the sensing channel has an inner diameter of 5 to 12 mm with a cross-sectional area of 10-11 to 10-8 m 2 . 前記液体リザーバは、1つ以上のチャンバを有する、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the liquid reservoir has one or more chambers. 前記液体リザーバは、同心リングを伴う1つ以上のチャンバを有する、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device of claim 1, wherein the liquid reservoir has one or more chambers with concentric rings. 前記液体リザーバは、同心リングを伴う1つ以上のチャンバを有し、前記同心リングは、1つ以上の場所において接続される、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device of claim 1, wherein the liquid reservoir has one or more chambers with concentric rings, the concentric rings being connected at one or more locations. 前記液体リザーバは、同心リングを伴う1つ以上のチャンバを有し、前記感度は、同心リングの数が、増加するにつれて、増加する、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device of claim 1, wherein the liquid reservoir has one or more chambers with concentric rings, the sensitivity of which increases as the number of concentric rings increases. 前記液体リザーバの表面は、パターン化される、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the surface of the liquid reservoir is patterned. 前記液体リザーバ天井の表面は、凸状形状を有し、前記凸状形状は、前記リザーバチャネル床に向かって湾曲する、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the surface of the liquid reservoir ceiling has a convex shape, and the convex shape curves toward the reservoir channel floor. 前記コンタクトレンズは、いかなる能動的に制御される構成要素または電気的構成要素も有していない、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device of claim 1, wherein the contact lens has no actively controlled or electrical components. 前記閉鎖型マイクロ流体ネットワークは、透明である、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the closed microfluidic network is transparent. 前記閉鎖型マイクロ流体ネットワークは、疎油性である、請求項1に記載の眼内圧監視デバイス。 The intraocular pressure monitoring device according to claim 1, wherein the closed microfluidic network is oleophobic.
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