Soczewki kontaktowe jako sensory

Tak zwane inteligentne soczewki kontaktowe (ang. smart contact lenses) cieszą się coraz większym zainteresowaniem wśród producentów ze względu na potencjalną możliwość wykorzystania ich do bezpośredniego monitorowania parametrów fizjologicznych ciała, a także pozyskiwania danych z otoczenia. Póki co do rozwiązania jest nadal wiele problemów technologicznych, w tym wysokie koszty wytwarzania, stabilność mechaniczna i biokompatybilność. Czy jest szansa, że wejdą niedługo do powszechnego użytku?

Jednym celów nowoczesnej diagnostyki jest stały monitoring parametrów fizjologicznych, umożliwiający wykrycie nieprawidłowości na wczesnym etapie choroby oraz kontrolę leczenia rehabilitacji. Rozwiązaniem są urządzenia umieszczane bezpośrednio ciele (implanty) lub blisko niego, np. w ubraniu (ang. wearables). Już teraz zwykłym zegarku integrowane są funkcje monitorujące tętno, temperaturę ciała, saturację krwi czy dane dotyczące lokalizacji, poziomu oświetlenia głośności dźwięków otoczenia. Dostępne są też niewielkie urządzenia, rozszerzające zakres rejestrowanych parametrów np. elektrokardiogram czy poziom glukozy we krwi. Pozyskując analizując dużą ilość danych czasie rzeczywistym, urządzenia te mogą niedalekiej przyszłości radykalnie zwiększyć efektywność świadczenia opieki zdrowotnej poprzez szybką reakcję na zmiany oraz personalizację działań. Soczewki kontaktowe są uznawane za obiecujące rozwiązanie zakresie diagnostyki ze względu na niewielką ingerencję ciało, połączoną ze stałym kontaktem naszym organizmem.

Projekt inteligentnych soczewek kontaktowych musi łączyć ze sobą kilka zupełnie różnych obszarów technologii. Po pierwsze, ważny jest wybór materiału, którego będzie wykonana soczewka. Jest to tyle trudne, że zależności od konkretnego zadania należy dobrać inny materiał. Inne cechy fizykochemiczne powinna mieć soczewka do podawania leków, inne do rejestracji obrazu. Całość musi być na tyle stabilna mechanicznie, żeby urządzenia mogły działać, jednocześnie odpowiednio elastyczna, by nie wywołać niepożądanej reakcji organizmu. Zwykle proponowane są takie materiały jak np. klasyczny poli(metakrylan metylu) (PMMA), poli(tereftalan etylenu) (PET) czy metakrylan 2-hydroksyetylu (HEMA) lub ich pochodne. Po drugie, różnego typu sensory wymagają innego procesu produkcji, często łączącego różne podstawowe technologie, takie jak fotolitografia, formowanie wtryskowe czy rozwiązania zaczerpnięte mikrofluidyki (np. ablacja laserowa). Po trzecie, wszelkie dodatki elektroniczne wymagają komponentów elektrycznych. Do opracowania konieczne jest zasilanie (aktywne lub pasywne), połączenia pomiędzy elementami, komunikacja przewodowa lub bezprzewodowa, nawet możliwość rejestracji lub wyświetlania (!) obrazu. Jeśli uda się rozwiązać wymienione wyżej problemy, otrzymamy bardzo nowoczesne, biokompatybilne, ale jednocześnie bardzo skomplikowane urządzenie.

Jakie są możliwe zastosowania takich soczewek? Jedno pierwszych, które doczekało się prototypów, to pomiar stężenia glukozy filmie łzowym, wykazano bowiem dodatnią korelację tego stężenia ze stężeniem glukozy we krwi. Zaproponowano szereg metod detekcji pomiaru stężenia glukozy, m.in. na bazie zjawiska fluorescencji czy detekcji kontakcie odpowiednio przygotowanymi cząsteczkami wiążącymi pochodne glukozy kanałach wykonanych grafenu. Niestety, mimo zaangażowania tak wielkiej firmy jak Google projekt soczewki mierzącej poziom glukozy, nadal nie jest to powszechnie dostępne urządzenie. Warto wspomnieć, że jednym projektów do pomiaru poziomu glukozy zaangażowano nawet siatkę dyfrakcyjną – związanie molekuł glukozy macierzy nanocząstek polistyrenowych powoduje skurcz hydrożelu, który stanowi podstawę soczewki, co kolei powoduje zmianę stałej siatki objawiającą się przesunięciem widma ugiętego światła stronę krótkofalową.

Inne zastosowanie, które ma już działającą wersję komercyjną (Sensimed Triggerfish®), to sensor ciśnienia wewnątrzgałkowego (ang. intraocular pressure, IOP). Uważa się, że powszechny monitoring ciśnienia pomógłby ograniczyć liczbę nieleczonych przypadków jaskry. IOP nie jest mierzone bezpośrednio – opublikowano kilka różnych technologii, które mierzą ciśnienie pośrednio, na bazie zmian kształtu rogówki. Są to sensory oparte pomiar zmian m.in.: pojemności lub indukcyjności elektrycznej prostego obwodu, napięcia układzie piezoelektrycznym czy sił działających na mikrotensometr. Na razie dopuszczone do sprzedaży soczewki są wykorzystywane dość niszowym zakresie, ale wydaje się, że istnieje dobra pewna droga rozwoju tej technologii celu powszechnego wykorzystania, pod warunkiem uzyskania niskich kosztów produkcji.

Rozważa się także możliwość pomiaru poziomu kwasu mlekowego filmie łzowym, bowiem zbyt wysoki poziom tej substancji jest toksyczny może prowadzić m.in. do anemii, sepsy czy uszkodzenia organów wewnętrznych. literaturze przedmiotu zaproponowano amperometryczny (natężeniowy) czujnik kwasu mlekowego wbudowany soczewkę kontaktową. Ten czujnik zamienia potencjały elektrochemiczne manifestujące się reakcji redoks na sygnały elektryczne. Niestety, wymaga to dość skomplikowanej procedury, której występują takie związki jak aldehyd glutarowy czy oksydaza mleczanowa. Wydaje się, że potrzeba czasu, by technologia pomiaru poziomu kwasu mlekowego stała się dojrzała.

Mimo trudności pomiarach istnieje przekonanie, że będzie można oznaczać poziomy innych markerów filmie łzowym, pośrednio we krwi – dotyczy to m.in. jonów (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Clmocznika.

Osobną grupę urządzeń, które mają być montowane przyszłości soczewkach kontaktowych, stanowią te służące do wyświetlania lub rejestracji obrazu. Kilka dużych firm – producentów wyposażenia elektronicznego – opatentowało rozwijało koncepcje soczewek, które mają pełnić taką funkcję jak tzw. projektory siatkówkowe, to jest dostarczać obraz wyłącznie do wnętrza oka danej osoby, najlepiej nakładając go na rzeczywisty widziany obraz. Większość pomysłów jest jednak bardzo trudna lub niemożliwa do realizacji, niemniej jednak ostatnio głośno jest firmie Mojo Vision, która zaprezentowała już 6. generację „soczewek kontaktowych” wyświetlaczem. Cudzysłów wokół nazwy jest zamierzony, bo trudno właściwie ustalić, kiedy dodatkowe funkcje soczewki kontaktowej zaczynają przeważać nad jej podstawową funkcją optyczną. Branża technologiczna upatruje dużą szansę soczewkach wyposażonych funkcję generowania rzeczywistości rozszerzonej wszelkie prezentacje tym związane wyglądają bardzo efektownie. Przykładowo: dane systemu nawigacji są widziane przez użytkownika jako nałożone na obraz świata, bez dodatkowych urządzeń. Niestety, producenci cały czas borykają się nie tylko problemami typowo funkcjonalnymi, ale także konieczną biokompatybilnością ogólnie pojętym bezpieczeństwem, nawet przyjaznością dla środowiska – soczewek projektorem nie można, ot tak, wyrzucić do kosza na śmieci.

Kolejne nowatorskie pomysły to soczewki, które mają zintegrowane kamery rejestrujące obraz otoczenia. Ten pomysł, rodem filmów szpiegowskich, ma pewne (na razie jeszcze iluzoryczne) szanse powodzenia, a w jego opracowanie zaangażowali się tacy giganci przemysłu elektronicznego jak Samsung, Google czy Sony. Na razie bez większego powodzenia, ale wiele pomysłów początku wydawało się bardzo szalonych. Kamery rejestrujące obraz także mogą pełnić funkcję czujników, poprzez analizę obrazu. Informacje mogą być przesyłane dalej do większego systemu analizy, który będzie stanie np. określić zewnętrzne zagrożenia dla zdrowia lub życia, tym środowisko wzrokowe.

Podsumowując, perspektywie kilku lat spodziewamy się rozwoju soczewek kontaktowych do celów diagnostyki czasie rzeczywistym (także online), choć na razie wydaje się, że nie będą one ani tanie, ani specjalnie wygodne, przynajmniej na początku.

dr hab. Jacek Pniewski

Akademickie Centrum Kształcenia Optometrystów

Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Polecamy

Cover for Magazyn Optyk Polski - branżowy dwumiesięcznik
2,321
Magazyn Optyk Polski - branżowy dwumiesięcznik

Magazyn Optyk Polski - branżowy dwumiesięcznik

Magazyn branżowy dla optyków, optometrystów. Trendy, soczewki, sprzęt, teksty ekspertów, wydarzenia.