Lensa Kontak Cerdas Bernapas yang Terinspirasi Kirigami untuk Pemantauan Nirkabel Hipoksia Kornea dan Lingkungan Mikro
Abstrak
Disfungsi kornea parah yang disebabkan oleh hipoksia kornea dan ketidakseimbangan lingkungan mikro mengancam kesehatan mata ratusan juta orang, yang menyebabkan neovaskularisasi, keratitis, dan bahkan kehilangan penglihatan, khususnya di antara pemakai lensa kontak. Namun, tidak ada alat digital yang dapat diakses untuk pemantauan oksigen kornea dan status lingkungan mikro yang dapat dikenakan dan berkelanjutan. Di sini, lensa kontak pintar yang dapat bernapas yang terinspirasi dari kirigami untuk pemantauan nirkabel hipoksia kornea dan lingkungan mikro disajikan. Perangkat penginderaan yang sangat tipis (55 µm) dan fleksibel memungkinkan pemantauan digital, in situ, dan tepat dari indikator kesehatan mata utama: oksigen terlarut, kelembaban, dan suhu ( R 2 > 0,98). Sirkuit fleksibel, yang dirancang dan diproses menggunakan struktur kirigami evolusioner dan thermoforming, secara efisien menyesuaikan dengan permukaan lengkung yang lembut dengan dimensi kontur dan tegangan sisa yang diminimalkan. Lapisan hibrida silikon/hidrogel membungkus komponen elektronik, sehingga menghasilkan permeabilitas oksigen yang tinggi (380,26 Barrers), kadar air yang cukup (>80%), dan biokompatibilitas/keamanan terhadap panas yang sangat baik. Percobaan pada hewan in vivo pada mata anjing beagle menunjukkan kemampuan lensa untuk pemantauan kornea nirkabel yang akurat dalam kondisi yang terkendali.
1 Pendahuluan
Sebagai jaringan transparan avaskular, kornea memainkan peran penting dalam menjaga integritas bola mata, imunitas okular, dan fungsi visual. [ 1 ] Hipoksia kornea terjadi ketika suplai oksigen ke jaringan kornea gagal memenuhi kebutuhan metaboliknya. [ 2 ] Ini adalah komplikasi yang paling umum di antara pemakai lensa kontak, karena lensa mengisolasi kornea dari udara. Komplikasi yang disebabkan oleh hipoksia kronis, termasuk neovaskularisasi kornea, melemahnya imunitas dan penipisan epitel, secara signifikan mempengaruhi fungsi kornea. [ 3 ] Ketidakseimbangan lingkungan mikro permukaan mata (OSM), faktor signifikan lain yang mempengaruhi kesehatan kornea, juga telah menarik perhatian penelitian yang luas. [ 4 ] OSM terdiri dari jaringan permukaan mata, lapisan air mata, sel epitel, musin, dan protein, dengan berbagai informasi fisiologis dan biokimia seperti suhu, kelembaban, elektrolit, dan metabolit. [ 5 ] Ketidakseimbangan faktor-faktor ini dapat menyebabkan peradangan, kerusakan jaringan, dan kelainan saraf. [ 4 ] Pemantauan berkelanjutan kadar oksigen permukaan kornea dan indikator utama dalam OSM memungkinkan pencegahan dan penanganan penyakit mata yang tepat waktu seperti keratitis, konjungtivitis, dan sindrom mata kering, yang memengaruhi kesehatan mata ratusan juta orang di seluruh dunia. [ 6 ] Namun, alat yang dapat dikenakan dan digital untuk pemantauan berkelanjutan oksigen kornea dan status lingkungan mikro masih langka. Metode saat ini untuk menilai oksigen kornea biasanya bergantung pada hubungan antara oksigen permukaan kornea dan edema kornea, [ 7 ] atau teknik berbasis fluoresensi dan fosforesensi. [ 8 ] Metode ini melibatkan pembacaan data tidak langsung dan kompleks dan menimbulkan risiko ketidaknyamanan mata dan masalah keamanan pewarna. Selain itu, pemeriksaan di rumah sakit yang menggunakan peralatan khusus [ 9 ] dan pengujian dengan kit atau strip sekali pakai (misalnya, uji Schirmer) membatasi perolehan indikator klinis dalam OSM, [ 10 ] sehingga tidak memiliki kemampuan pengujian waktu nyata, multiparameter, dan di tempat. Oleh karena itu, mengidentifikasi alat pemantauan digital, berkelanjutan, dan in situ [ 11 ] dalam perangkat medis mata sangat penting untuk mengatasi keterbatasan ini dan meningkatkan pencegahan dan pengelolaan penyakit mata.
Lensa kontak pintar (SCL) yang mengintegrasikan berbagai unit fungsional seperti biosensor, [ 12 ] display, [ 13 ] dan sirkuit terpadu (IC) [ 14 ] telah muncul sebagai metode yang menjanjikan untuk pemantauan berkelanjutan penyakit mata dalam beberapa tahun terakhir. [ 15 ] Dengan mengintegrasikan sensor dengan prinsip kerja yang berbeda, SCL dapat mengukur sinyal fisiologis seperti tekanan intraokular, [ 14 , 16 ] suhu kornea, [ 17 ] dan pH, [ 18 ] dan mendeteksi sinyal biokimia seperti glukosa, [ 13 , 19 ] protein, [ 20 ] dan kolesterol. [ 14 ] Lebih jauh lagi, SCL dengan kemampuan penginderaan dapat dilengkapi dengan unit korektif, [ 15 , 21 ] perangkat terapeutik, [ 15 , 22 ] dan sistem pengiriman obat [ 14 , 23 ] untuk mencapai aplikasi diagnostik dan teranostik untuk penyakit mata. Meskipun ada kemajuan signifikan dalam SCL, beberapa tantangan tetap ada dalam penginderaan multiparameter, pemrosesan konformal sirkuit, dan kenyamanan serta keamanan pemakaian jangka panjang. Pertama, pemantauan multiparameter dapat memberikan penilaian kondisi kornea yang lebih komprehensif dan akurat. Namun, ukuran efektif dan pemanfaatan spasial lensa kontak membatasi jumlah, dimensi, dan daya perangkat terintegrasi. Selain itu, sifat substrat yang sangat tipis dan sangat lembut semakin mempersulit pertumbuhan langsung komponen elektronik di atasnya. [ 15 , 24 ] Akibatnya, sebagian besar platform SCL hanya dapat mendukung satu sensor digital dengan sirkuit nirkabel medan dekat. [ 25 ] SCL dengan kemampuan multisensing sebagian besar mengandalkan perangkat kolorimetri, yang dicirikan oleh akurasi rendah dan metode pembacaan data tidak langsung. [ 14 , 17 ]Kedua, kesesuaian sirkuit sangat penting untuk daya pakai SCL dan stabilitas akuisisi data. Sebagian besar SLC hanya memiliki antena atau sensor yang dirancang agar sesuai dengan bentuk lensa kontak, tanpa validasi komprehensif atas kesesuaian seluruh sirkuit fungsional dengan permukaan yang lembut dan melengkung. Validasi ini sangat penting untuk menerapkan sistem sirkuit kompleks dengan berbagai fungsi. Selain itu, sirkuit planar yang tidak dioptimalkan rentan terhadap deformasi dan kerutan selama enkapsulasi dan pemakaian, yang menyebabkan ketidakstabilan listrik dan kerusakan jaringan. [ 17 , 26 ] Terakhir, permeabilitas oksigen dan kadar air merupakan indikator penting untuk menilai keamanan dan kenyamanan pemakaian lensa kontak. [ 27 ] SCL yang ada biasanya didasarkan pada substrat atau bahan lensa kontak komersial, [ 13 , 22 , 28 ] yang mungkin tidak mencapai permeabilitas oksigen tinggi dan kadar air tinggi sambil mempertahankan sifat mekanis dan optik yang optimal, sehingga membatasi kenyamanan pemakaian jangka panjang. Selain itu, metode untuk mengintegrasikan sirkuit dengan substrat lensa melalui pengikatan menimbulkan risiko kerusakan mekanis dan termal pada jaringan mata karena chip yang kaku, [ 14 ] dan pembangkitan panas pada sirkuit. [ 16 ] Faktor-faktor ini secara kolektif menghambat produksi massal dan penerapan SCL secara luas. Dengan demikian, diperlukan strategi komprehensif untuk merancang dan membuat platform SCL multifungsi, konformal, dan aman bagi mata dalam jangka panjang.
Di sini, kami mengusulkan lensa kontak pintar yang dapat bernapas (BSCL) berdasarkan struktur yang terinspirasi dari kirigami untuk pemantauan nirkabel hipoksia kornea dan OSM. Perangkat penginderaan yang sangat tipis (55 µm) dan fleksibel dibuat menggunakan proses sablon penuh, yang memungkinkan pengukuran oksigen terlarut (DO) air mata, kelembapan kornea, dan suhu yang tepat dengan linearitas yang sangat baik (>0,98). Parameter ini digunakan untuk mencerminkan metabolisme oksigen kornea, kelembapan permukaan mata, dan peradangan jaringan yang terkait dengan keratitis, sindrom mata kering, dan konjungtivitis. Sirkuit fleksibel yang terinspirasi dari kirigami dirancang untuk pengambilan sampel sinyal digital multisaluran, daya nirkabel, dan komunikasi data. Sirkuit diproses menjadi konfigurasi konformal permukaan lengkung dengan dimensi kontur yang diminimalkan dan tegangan sisa menggunakan pendekatan pra-tekuk termal. Sirkuit sepenuhnya dienkapsulasi dalam lapisan hibrida silikon/hidrogel biokompatibel tipis, mencapai permeabilitas oksigen tinggi dan kadar air yang cukup. Percobaan hewan in vivo dilakukan pada anjing beagle yang masih hidup, dan mata mereka berhasil mengumpulkan data penginderaan mata menggunakan telepon pintar, mengungkap variasi dalam DO, kelembapan, dan suhu menggunakan telepon pintar baik dalam kondisi alamiah maupun yang diinduksi secara buatan.
2 Hasil dan Pembahasan
2.1 Diagram Skema Pemantauan Hipoksia Kornea dan OSM Menggunakan BSCL
OSM, yang merupakan jaringan permukaan mata (misalnya, kelenjar lakrimal, konjungtiva, dan kornea), sel, dan lapisan air mata, menyediakan sarana yang mudah untuk menilai kondisi mata. [ 29 ] Sebagai komponen utama OSM, lapisan air mata yang menutupi jaringan permukaan mata terdiri dari lapisan lipid, air, dan musin, yang memainkan peran penting dalam menjaga homeostasis OSM. [ 30 ] Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 a , beberapa penyakit mata, seperti keratitis, mata kering, dan konjungtivitis, biasanya bermanifestasi sebagai penurunan permeabilitas oksigen, penurunan sekresi air mata, dan peningkatan suhu permukaan mata. Dilengkapi dengan perangkat multisensing, BSCL dapat mengumpulkan kadar DO air mata, kelembapan permukaan mata, dan suhu untuk mengevaluasi konsumsi oksigen kornea dan memantau status OSM. Data penginderaan diperoleh menggunakan telepon pintar dengan modul komunikasi medan dekat (NFC), yang menunjukkan potensinya untuk pengambilan sampel digital dan pengumpulan data berkelanjutan. Struktur terperinci BSCL ditunjukkan pada Gambar 1b . BSCL terdiri dari dua lapisan enkapsulasi silikon/hidrogel biokompatibel yang dapat bernapas dengan sistem elektronik fleksibel yang diapit di antaranya. Sistem elektronik yang terinspirasi dari kirigami terdiri dari perangkat penginderaan yang sangat tipis dan fleksibel, antena fleksibel, dan sirkuit terpadu dengan chip tertanam NFC untuk daya dan komunikasi nirkabel. Perangkat penginderaan fleksibel dapat memantau konsentrasi DO, kelembapan, dan suhu. Sistem elektronik menjalani pembentukan termal dan pencetakan injeksi untuk mengadopsi konfigurasi lensa kontak, meminimalkan dimensi kontur dan tegangan sisa agar lebih sesuai dengan kornea. Desain berongga di area tengah (zona optik) dari sirkuit fleksibel memastikan penglihatan optik tanpa halangan. Oleh karena itu, beberapa parameter biologis dapat diperoleh secara langsung melalui telepon pintar atau sepasang kacamata yang dapat dikenakan yang dilengkapi dengan pembaca NFC. Pembacaan digital memfasilitasi pemantauan hipoksia kornea dan status OSM dan memberikan petunjuk keselamatan untuk pemakaian BSCL yang diperpanjang atau semalaman.
Gambar 1
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Ilustrasi skema BSCL untuk pemantauan hipoksia kornea dan OSM. a) Diagram skema yang menunjukkan mata manusia mengenakan BSCL untuk memfasilitasi akuisisi nirkabel konsentrasi DO okular, kelembapan, dan suhu melalui telepon pintar. Parameter ini dapat mewakili status permukaan okular, termasuk metabolisme oksigen kornea, kelembapan permukaan okular, dan peradangan jaringan yang terkait dengan keratitis, sindrom mata kering, dan konjungtivitis. b) Diagram struktural BSCL. Terdiri dari sistem elektronik fleksibel dan dua lapisan enkapsulasi hibrida silikon/hidrogel. Sistem ini menggabungkan perangkat penginderaan yang sangat tipis dan fleksibel, antena fleksibel, dan sirkuit terpadu dengan chip tertanam NFC untuk penyalaan daya nirkabel dan komunikasi data.
2.2 Pembuatan dan Karakterisasi Alat Penginderaan Multiparameter
Meskipun lensa kontak berdasarkan teknologi fluoresensi dapat digunakan untuk mengukur status oksigen permukaan kornea, [ 8 ] ketergantungannya pada peralatan optik dan pengambilan sampel nondigital membatasi integrasinya dengan perangkat elektronik lain untuk aplikasi cerdas. Studi saat ini mengembangkan perangkat multisensing yang terintegrasi dengan unit penginderaan oksigen terlarut (DO) elektrokimia, unit penginderaan kelembapan resistif, dan unit penginderaan suhu resistif untuk pemantauan hipoksia kornea dan OSM yang dapat dikenakan dan in situ (panel atas Gambar 2a ) . Proses fabrikasi melibatkan sablon lima langkah, pelapisan tetes, dan elektroplating (Gambar S1 , Informasi Pendukung). Lapisan cetakan pertama terdiri dari film tinta terisolasi, yang berfungsi sebagai substrat selama fabrikasi perangkat penginderaan fleksibel (panel bawah Gambar 2a ). Lapisan cetakan kedua mencakup pasta perak konduktif yang dicetak untuk membentuk elektroda perangkat, dengan elektroda kelima dan keenam membentuk unit penginderaan kelembapan (Gambar S2 , Informasi Pendukung). Volume sobekan antara dua elektroda bervariasi, menghasilkan resistansi yang berbeda dari unit penginderaan kelembapan. Lapisan cetak ketiga terdiri dari film tinta peka suhu yang digunakan untuk membuat unit penginderaan suhu, yang mendeteksi suhu dengan mengubah resistansi pada suhu yang berbeda. Selanjutnya, lapisan karbon konduktif diaplikasikan untuk memodifikasi elektroda lawan (CE) dan elektroda kerja (WE) dari unit penginderaan DO. Untuk mengisolasi unit penginderaan suhu secara elektrik, lapisan kelima tinta terisolasi dicetak pada perangkat sensor dengan perforasi di atas unit penginderaan DO dan area kerja unit penginderaan kelembapan. Perforasi ini dibiarkan untuk modifikasi WE lebih lanjut (Gambar S3 , Informasi Pendukung) dan kontak film sobekan. Ketika tegangan polarisasi diterapkan antara katode (WE) dan anoda (RE) dari unit penginderaan DO, molekul oksigen mencapai permukaan katode, yang menyebabkan reaksi reduksi (O 2 + 2H 2 O + 4eˉ → 4OHˉ) dan reaksi oksidasi (4Ag + 4Clˉ−4eˉ → 4AgCl) pada katode dan anoda, masing-masing. Konsentrasi DO yang lebih tinggi dalam lapisan air mata menghasilkan arus reaksi yang lebih besar. Proses pencetakan layar penuh yang terstandarisasi ini memfasilitasi produksi massal perangkat penginderaan yang fleksibel. Gambar 2b-i menunjukkan gambar 264 perangkat yang dibuat secara berkelompok pada substrat kaca berukuran 8 inci. Gambar perangkat yang diperbesar ditunjukkan pada Gambar 2b-ii . Ketebalan maksimum perangkat adalah 55 µm dengan berat rata-rata 3,5 mg (Gambar S4, Informasi Pendukung) dan dimensi melintang 4,92 mm (Gambar 2b-iii ). Perangkat tersebut dipasang pada batang kaca dengan radius 3 mm, yang menunjukkan fleksibilitasnya (Gambar 2b-iv ).
Gambar 2
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Pembuatan dan karakterisasi perangkat penginderaan multiparameter yang fleksibel. a) Desain struktural dan komposisi material perangkat penginderaan fleksibel yang terdiri dari unit penginderaan DO elektrokimia, unit penginderaan kelembapan resistif, unit penginderaan suhu resistif, dan komponen materialnya. b) (i) Gambar optimal representatif yang menunjukkan perangkat penginderaan fleksibel yang disiapkan secara batch menggunakan sablon. Skala batang, 3 cm. (ii) Tampilan perangkat penginderaan fleksibel yang diperbesar dengan skala batang 0,5 mm. Gambar representatif perangkat yang diukur menggunakan jangka sorong (iii) dan dipasang pada batang kaca dengan radius 3 mm (iv). c) Penyesuaian linier perubahan arus relatif unit penginderaan DO dengan konsentrasi DO. d) Kurva uji anti-interferensi unit penginderaan DO fleksibel dan sensor DO komersial dalam berbagai konsentrasi DO dengan aditif yang berbeda. e) Perubahan resistansi relatif unit penginderaan suhu pada berbagai suhu dan penyesuaian linier yang sesuai. f) Perubahan resistansi logaritma unit penginderaan kelembapan dengan kelembapan dan penyesuaian liniernya.
Untuk melakukan karakterisasi perangkat sensor, elektroda dihubungkan ke konektor sablon (Gambar S5 , Informasi Pendukung). Untuk menguji kapabilitas penginderaan DO, perangkat direndam dalam air mata buatan yang terdapat dalam vial berleher tiga. Campuran O2 dan N2 dengan rasio yang berbeda disuntikkan menggunakan pipa pasokan gas untuk mengubah konsentrasi DO dalam air mata buatan. Sebuah probe DO komersial juga direndam dalam air mata buatan untuk mengukur konsentrasi DO yang sebenarnya (Gambar S6 , Informasi Pendukung). Gambar 2c menunjukkan perubahan arus relatif linear (ΔI/I0 ) terhadap kurva konsentrasi DO, dengan sensitivitas (SDO ) sebesar 0,224% mg − 1⋅L dan koefisien korelasi (RDO2 ) sebesar 0,9838, yang menunjukkan bahwa unit penginderaan DO dapat mendeteksi perubahan konsentrasi DO secara efektif. Lebih jauh lagi, delapan larutan (yaitu, larutan NaCl, KCl, Ca2Cl , NH4Cl , Na2CO3 , glukosa, dan glisin) yang mengandung komponen ionik yang mirip dengan lapisan air mata [ 31 ] ditambahkan ke air mata buatan untuk menilai kinerja anti-interferensi unit penginderaan DO pada berbagai konsentrasi interferensi (0,1 dan 1 mm ) . Hasil pengukuran menunjukkan konsistensi data yang baik antara perangkat dan sensor DO komersial (Gambar 2d ), yang memvalidasi kemampuan anti-interferensinya. Perangkat dipasang ke permukaan kulit manusia untuk kalibrasi unit penginderaan kelembapan. Kelembapan kulit bervariasi dengan menerapkan berbagai volume air, dan kelembapan kulit diukur menggunakan pengukur kelembapan kulit (Gambar S7 , Informasi Pendukung). Unit penginderaan kelembapan menunjukkan sensitivitas deteksi yang sangat baik (S H = −0,031 log(Ω)/%RH) dan linearitas (R H2 = 0,9941) (Gambar 2e ) . Sementara itu, perangkat ditempelkan pada cakram panas untuk mengkarakterisasi kemampuan penginderaan suhu, perangkat ditempelkan pada cakram panas. Kamera pencitraan termal digunakan untuk mengukur suhu permukaan perangkat (Gambar S8 , Informasi Pendukung). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2f , perubahan resistansi relatif (ΔR/R 0 ) dari unit penginderaan suhu menunjukkan hubungan linier dengan suhu, menunjukkan sensitivitas (S T ) sebesar 5,777%/°C dan koefisien korelasi (R T 2 ) sebesar 0,9995.
2.3 Desain Struktur Terinspirasi Kirigami, Optimasi, dan Analisis Simulasi Sirkuit Fleksibel
Pemantauan multiparameter memerlukan sirkuit penginderaan multisaluran, yang menghadirkan tantangan untuk merancang sirkuit miniatur dengan konsumsi daya rendah pada permukaan lengkung yang sangat terbatas dan lunak. Oleh karena itu, sirkuit yang terinspirasi kirigami dengan kemampuan multisensing nirkabel dirancang untuk mengatasi masalah ini. Diagram blok fungsional dari sirkuit sistem BSCL disajikan dalam Gambar 3a . Sirkuit tersebut merupakan desain yang sangat terintegrasi berdasarkan chip IC NFC (Gambar S9 , Informasi Pendukung) dan antena fleksibel. Chip tersebut terdiri dari konverter analog/digital (A/D) 12-bit, memori 32 kB, modul kontrol, modul manajemen daya, dan antarmuka NFC. Sinyal dari perangkat penginderaan fleksibel diubah menjadi nilai digital oleh konverter A/D, dan nilai-nilai ini dibaca oleh pembaca NFC atau telepon pintar. BSCL adalah peralatan kacamata. Sebagai zona optik penglihatan, pupil tidak dapat terhalang. Oleh karena itu, area yang diizinkan untuk menempatkan sirkuit fungsional dibatasi pada daerah annular di luar lensa kontak kornea. Oleh karena itu, rangkaian dirancang menjadi bentuk cincin melingkar dan difabrikasi pada papan sirkuit cetak fleksibel (FPCB, Gambar 3b-i ). Namun, karena kornea mata manusia adalah permukaan lengkung yang tidak dapat dikembangkan, FPCB planar yang tidak terstruktur tidak dapat sepenuhnya sesuai dengannya. Integrasi sederhana rangkaian ke permukaan lengkung dapat merusak rangkaian dan mengakibatkan deformasi lensa kontak yang tidak terduga. Terinspirasi oleh seni kirigami, [ 32 ] kami melakukan desain struktural evolusioner dan fabrikasi rangkaian, dari struktur cincin (Gambar 3b-i ) ke struktur pemotongan cincin (Gambar 3b-ii ) melalui eksisi lokal. Kami menerapkan pemotongan laser pada batas antara antena dan area rangkaian lainnya untuk lebih meningkatkan kesesuaian permukaan lengkung papan sirkuit. Struktur kirigami tingkat rangkaian ini memungkinkan deformasi independen dari antena fleksibel dan FPCB, mencapai fleksibilitas yang lebih besar (Gambar 3b-iii ). Setelah optimasi struktur sirkuit dan validasi fungsional menggunakan sensor suhu/kelembapan komersial, perangkat penginderaan fleksibel diikat dengan flip-chip ke FPCB untuk memungkinkan kemampuan penginderaan multiparameter (Gambar 3b-iv ). Data penginderaan dapat berhasil dikumpulkan melalui sistem papan uji (Gambar S10 , Informasi Pendukung) atau telepon pintar yang tertanam dengan modul NFC (Gambar S11 dan Film S1 , Informasi Pendukung).
Gambar 3
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Desain struktur BSCL yang terinspirasi dari Kirigami dan simulasi mekanis dan termal yang sesuai. a) Diagram kerja sirkuit sistem BSCL. BSCL terdiri dari perangkat penginderaan fleksibel, chip, antena, sirkuit terpadu, dan pembaca NFC (atau telepon pintar) untuk penyalaan daya dan komunikasi nirkabel. Perangkat penginderaan terdiri dari unit penginderaan DO, kelembapan (H), dan suhu (T). b) Desain sirkuit fleksibel dan pengoptimalan struktural BSCL yang bertransisi dari struktur cincin (i) ke struktur pemotongan cincin (ii), dan akhirnya ke struktur kirigami (iii, iv). c) Tampilan bawah pemetaan tegangan Mises menggunakan sirkuit struktur cincin (i) dan sirkuit struktur kirigami (ii). d) Kurva panjang regangan pada lintasan khas sirkuit struktur cincin dan struktur kirigami seperti yang ditunjukkan pada (c). e) Pemetaan termal BSCL 3D yang dienkapsulasi silikon dalam simulasi termal (i). Pemetaan termal BSCL pada bidang kerja sirkuit (ii). f) Kurva suhu sepanjang lintasan sirkuit pada bidang kerja.
Untuk memvalidasi kesesuaian sirkuit struktur kirigami, analisis elemen hingga (FEA) dilakukan untuk mensimulasikan deformasi FPCB pada kornea dan distribusi tegangan dinilai sebelum dan setelah proses pemotongan kirigami (lihat Gambar S12 , Informasi Pendukung dan Bagian Eksperimen untuk detailnya). Tingkat tegangan keseluruhan struktur kirigami FPCB pada permukaan luar (Gambar S13a , Informasi Pendukung) dan dalam (Gambar 3c-ii ) lebih rendah daripada struktur cincin (Gambar S13b , Informasi Pendukung; Gambar 3c-i ), terutama di daerah tepi. Hasil distribusi regangan serupa digambarkan pada Gambar S14 (Informasi Pendukung). Nilai tegangan sepanjang arah radial sirkuit diekstraksi dan diplot (Gambar 3d ), yang memperlihatkan pengurangan yang nyata pada tepi luar (15,51 dan 24,88 MPa) dan dalam (12,62 dan 42,22 MPa) pada struktur kirigami FPCB, yang menunjukkan bahwa desain struktur kirigami secara signifikan mengurangi tegangan tepi untuk mencegah keretakan dan meningkatkan kesesuaian papan sirkuit dengan permukaan lengkung. Selain itu, memastikan keamanan mata pada kondisi kerja sirkuit terpadu (IC) sangat penting untuk penggunaan praktis. Meskipun faktor suhu merupakan pertimbangan utama, faktor ini jarang dipertimbangkan dalam penelitian sebelumnya. Analisis simulasi perpindahan panas BSCL dilakukan berdasarkan model numerik 3D (Gambar S15 , Informasi Pendukung). Seperti yang digambarkan pada Gambar 3e-i , suhu tertinggi BSCL adalah 34,09°C, dan suhu chip adalah 32,5°C, keduanya terletak pada bidang kerja sirkuit (Gambar 3e-ii ). Suhu ini berada dalam kisaran yang dapat ditoleransi oleh mata manusia, menunjukkan bahwa kondisi termal BSCL aman. [ 33 ]
2.4 Enkapsulasi Elektronik yang Bernapas dan Konformal
Meskipun desain kirigami dari FPCB meningkatkan kesesuaiannya dengan permukaan melengkung, ketidakcocokan sifat mekanis antara FPCB (PI setebal 0,7 mm dengan chip, level modulus E ∼ GPa) [ 34 ] dan lapisan enkapsulasi silikon tipis (0,35 mm, E ∼ 700 kPa) [ 35 ] membatasi kemampuannya untuk mempertahankan garis luar lensa kontak yang diinginkan. Sementara itu, gaya ekstra dari kelopak mata diperlukan untuk memastikan lensa kontak menyesuaikan dengan permukaan kornea, yang menyebabkan ketidaknyamanan dan potensi abrasi mata bagi pengguna. Untuk mengatasi kendala ini, kami mengembangkan metode perakitan integratif untuk membuat elektronik melengkung yang fleksibel dan enkapsulasi yang tepat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a , proses pra-tekukan termal dikembangkan untuk menginduksi deformasi plastik dari FPCB chip-on-top menggunakan sepasang cetakan 1 (Gambar S16 , Informasi Pendukung). Karena chip disolder ke PCB planar dan bukan ke permukaan lengkung, alur diperlukan dalam cetakan jantan 1 untuk menempatkan chip secara tepat, mencegah kerusakan mekanis selama pengepresan pada suhu 150°C selama 10 menit. Kemudian, polidimetilsiloksan (PDMS) yang belum diawetkan disuntikkan dan dicetak ke dalam lapisan lengkung tipis menggunakan cetakan jantan 2 dan cetakan betina 2 (Gambar S17 , Informasi Pendukung), untuk membentuk cangkang permukaan luar yang lembut dari BSCL. Setelah proses pengawetan, lapisan PDMS luar dipindahkan ke cetakan betina 3 (Gambar S18 , Informasi Pendukung). FPCB yang telah ditekuk sebelumnya (Gambar S19 , Informasi Pendukung) dipindahkan ke lapisan PDMS luar, diikuti dengan pencetakan injeksi lapisan dalam silikon. Cetakan jantan 3 dikerjakan dengan struktur cembung untuk meninggalkan enkapsulasi dengan jendela terbuka untuk modifikasi enzim unit penginderaan DO selanjutnya (intoleransi suhu tinggi) dan pemaparan unit penginderaan kelembapan (Gambar S1 , Informasi Pendukung). Metode fabrikasi terpisah yang diikuti dengan perakitan ini menawarkan fleksibilitas desain yang signifikan serta penyesuaian dalam hal ukuran dan ketebalan, oleh karena itu, cocok untuk produksi industri.
Gambar 4
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Enkapsulasi yang dapat bernapas dan konformal serta verifikasi biokompatibilitas BSCL. a) Bagan alir yang menunjukkan proses pra-tekukan termal dan pencetakan injeksi dari sirkuit fleksibel untuk integrasi dan enkapsulasi lengkung lunak. b) Gambar representatif yang menunjukkan BSCL yang dienkapsulasi (i) dengan skala batang 3 mm. Gambar pra-pakai BSCL di depan mata manusia (ii) dengan skala batang 5 mm. c) Statistik kesalahan batang yang menunjukkan viabilitas sel relatif dari kelompok kontrol, kelompok CCL dan kelompok BSCL setelah 24 jam kultur ( N = 3). Setiap titik data mewakili rata-rata dari 3 sampel, dan batang kesalahan menunjukkan rata-rata ± kesalahan standar rata-rata. Tingkat kelangsungan hidup tertinggi (116,2%) yang diamati pada kelompok BSCL menunjukkan bahwa BSCL tidak beracun. d) Gambar pewarnaan fluoresensi representatif untuk kelompok BSCL setelah mengkultur bersama sampel dengan sel selama 24 jam, dengan skala batang 50 µm. e) Gambar pemeriksaan lampu celah jaringan anterior mata kelinci di bawah cahaya putih alami dan cahaya biru kobalt.
Permeabilitas oksigen dan kadar air merupakan faktor krusial dalam memastikan keamanan dan kenyamanan pemakaian lensa kontak. [ 15 ] Silikon dan hidrogel merupakan material yang banyak digunakan dalam produksi lensa kontak lunak komersial. [ 36 ] Meskipun penggunaan silikon sebagai substrat lensa menawarkan permeabilitas oksigen yang tinggi, material ini tidak bersifat hidrofilisitas dan memiliki kadar air yang rendah. [ 21 ] Sebaliknya, hidrogel menunjukkan hidrofilisitas yang superior tetapi permeabilitas oksigen yang lebih rendah. [ 24 ] Beberapa desain SCL telah melampaui kelemahan ini dengan memanfaatkan silikon sebagai substrat lensa dan meningkatkan hidrofilisitas melalui perawatan permukaan plasma. [ 25 , 37 ] Namun, metode ini tidak serta merta meningkatkan kadar air pada lensa, yang berpotensi memengaruhi kenyamanan pemakainya. Studi terkini mengembangkan SCL yang dapat bernapas dengan memanfaatkan skema pengemasan dwi lapis untuk mengatasi tantangan ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar S20 (Informasi Pendukung), lapisan hidrogel 2 µm dimodifikasi pada permukaan silikon menggunakan fotopolymerisasi, [ 38 ] memungkinkan permeabilitas oksigen yang sangat baik (380,26 Barrer) dan kadar air yang cukup (87,8%) (lihat Bagian Eksperimen). Sudut kontak 28° lebih lanjut menunjukkan bahwa BSCL yang dimodifikasi hidrogel menunjukkan hidrofilisitas yang sangat tinggi (Gambar S21 , Informasi Pendukung) dan keterbasahan (Gambar S22 , Informasi Pendukung), memastikan kenyamanan dan keamanan BSCL selama pemakaian. Tampilan bawah BSCL yang disiapkan ditunjukkan pada Gambar 4b-i , dengan diameter 16,33 mm dan berat 0,365 g (Gambar S23 , Informasi Pendukung). BSCL memiliki ketebalan 0,75 mm di bagian tengah (minimum), 1,44 mm di posisi yang terdapat chip (maksimum), dan 1,23 mm di bagian tepi Gambar S24 (Informasi Pendukung), yang menggarisbawahi kesesuaian BSCL untuk dipakai pada permukaan mata (Gambar 4b-ii ). Lebih jauh lagi, uji toksisitas sel dan eksperimen pewarnaan fluoresensi sel hidup/mati dilakukan untuk mengevaluasi biokompatibilitas BSCL. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tingkat kelangsungan hidup sel dari semua sampel melebihi 70% setelah 24 jam kultur bersama dengan sel (Gambar 4c ), dengan kelompok BSCL (116,2%) menunjukkan tingkat yang lebih tinggi daripada kelompok CCL (100%) dan kelompok kontrol (87,5%). Hasil pewarnaan fluoresensi mengungkapkan bahwa morfologi dan ukuran sel pada kelompok BSCL tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan dibandingkan dengan kelompok kontrol dan CCL (Gambar 4d ; Gambar S25 dan Tabel S3, Informasi Pendukung). Temuan ini menunjukkan bahwa BSCL tidak beracun dan biokompatibel. [ 39 ] Eksperimen lebih lanjut pada mata kelinci (Gambar S26 , Informasi Pendukung dan Bagian Eksperimen) tidak mengungkapkan kelainan pada jaringan mata anterior dengan atau tanpa BSCL dalam durasi pemakaian dan kondisi pencahayaan yang berbeda (Gambar 4e ) selama 3 hari pengamatan. Oleh karena itu, pemakaian BSCL dianggap aman dan layak.
2.5 Percobaan In Vivo pada Mata Beagle yang Hidup
Bahasa Indonesia: Untuk lebih memvalidasi kelayakan pemantauan multiparameter BSCL, kami melakukan percobaan pemakaian hewan in vivo yang kami lakukan pada mata anjing beagle yang hidup (Gambar S7 dan Film S2 , Informasi Pendukung). Gambar 5 a,b menunjukkan mata anjing beagle setelah memakai BSCL dalam keadaan terbuka dan tertutup, tanpa halangan pada pupil. Data penginderaan mata dari mata anjing beagle dikumpulkan melalui telepon pintar berkemampuan NFC (Gambar 5c ; Film S3 , Informasi Pendukung). Data tentang oksigen kornea, kelembapan, dan suhu dikumpulkan dalam kondisi mata terbuka dan mata tertutup alami. Gambar 5d menunjukkan variasi konsentrasi DO dari kondisi mata terbuka ke kondisi mata tertutup. Pengurangan 0,77 mg L −1 dalam konsentrasi DO ditemukan antara kedua kondisi tersebut, yang menunjukkan bahwa konsumsi DO pada permukaan mata dipengaruhi oleh gangguan pasokan oksigen atmosfer. Gambar 5e menunjukkan kurva kelembapan terhadap waktu setelah memakai BSCL selama 150 detik. Kelembapan awalnya meningkat saat mata terbuka dan kemudian stabil pada 90,7% setelah 150 detik, yang menunjukkan proses fusi kontak antara perangkat dan lapisan air mata. Saat kelopak mata tertutup, kelembapan meningkat sebesar 1% setelah mengalami sedikit fluktuasi, yang menunjukkan kemampuan mata untuk mengatur kelembapan secara mandiri. Gambar 5f menunjukkan suhu tetap relatif konstan dalam kondisi mata terbuka (31,6°C). Setelah menutup mata, suhu meningkat dari 32,1 menjadi 33,1°C setelah 150 detik dan tetap konstan setelahnya, yang menunjukkan bahwa kelopak mata memiliki fungsi pelestarian panas tertentu dalam kondisi mata tertutup.
Gambar 5
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Percobaan in vivo pada mata anjing beagle. a,b) Gambar anjing beagle dalam kondisi mata terbuka (a) dan mata tertutup (b). Skala batang, 5 mm. c) Gambar yang menunjukkan pengumpulan data penginderaan menggunakan telepon pintar. d) Perubahan konsentrasi DO dari unit penginderaan DO seiring waktu dalam kondisi mata terbuka dan mata tertutup. e) Kurva kelembapan-waktu unit penginderaan kelembapan dalam dua kondisi mata. f) Analisis suhu mata anjing beagle dalam kondisi mata terbuka dan mata tertutup ( N = 10). g–i) Gambar yang menunjukkan perubahan kondisi permukaan mata menggunakan metode hembusan oksigen/udara (g), penambahan air mata buatan (h), dan kompres dingin/panas (i). j–l) Hasil uji konsentrasi DO mata (j), kelembapan (k), dan suhu (l) yang sesuai dengan metode yang ditunjukkan dalam g–i.
Untuk mengonfirmasi fungsionalitas sensor dalam mendeteksi perubahan signifikan pada kornea, kondisi permukaan mata diubah secara artifisial dengan meniupkan oksigen (Gambar 5g ), penambahan air mata buatan (Gambar 5h ), dan kompres dingin dan hangat (Gambar 5i ). Gambar 5j menunjukkan kurva konsentrasi DO-waktu yang diperoleh dengan mengubah kadar DO lapisan air mata melalui tiupan oksigen di permukaan mata (Gambar 5g ). Kurva menunjukkan perubahan sinyal yang jelas dalam konsentrasi DO (dari ≈7,4 hingga > 25 mg L −1 ) setelah tiupan oksigen. Selain itu, data dari unit penginderaan kelembapan dalam kondisi kornea lembap dan kering dikumpulkan setelah menambahkan air mata buatan dan meniupkan udara hangat ke mata anjing beagle. Dua kasus menunjukkan variasi kelembapan yang signifikan (Gambar 5k ). Lebih jauh lagi, perubahan suhu mata dalam waktu 3 menit dinilai setelah kompres dingin pada suhu 0°C dan suhu ruangan (21°C) dan kompres panas pada suhu 43°C. Kamera termal inframerah digunakan untuk menangkap suhu permukaan mata (Gambar S28 , Informasi Pendukung) untuk perbandingan bersamaan. Kurva suhu menunjukkan tren variasi yang sama dalam tiga kasus intervensi suhu (Gambar 5l ). Secara keseluruhan, temuan ini menunjukkan sensitivitas tinggi dan rentang deteksi luas dari tiga unit penginderaan di BSCL, yang selanjutnya memvalidasi kemampuan pemantauannya dalam fluktuasi kornea minor dan signifikan. Selain itu, tidak ada tanda-tanda peradangan atau cedera yang diamati pada permukaan mata setelah melepaskan BSCL dari kornea beagle (Gambar S29 , Informasi Pendukung), yang membuktikan bahwa pemakaian BSCL nyaman dan aman.
3 Kesimpulan
Singkatnya, penelitian ini merancang dan membuat sistem BSCL dengan kemampuan penginderaan multiparameter nirkabel untuk memantau oksigen kornea dan status OSM. BSCL berbobot 0,365 g, dengan diameter, ketebalan tengah, dan ketebalan chip masing-masing sebesar 16,33, 0,75, dan 1,44 mm. Perangkat multisensing fleksibel, berbobot 3,5 mg dan berukuran 4,92 mm dalam dimensi melintang dengan ketebalan maksimum 55 µm, tertanam dalam BSCL. Perangkat ini memungkinkan pemantauan bioinformasi, termasuk konsentrasi DO air mata (S DO = 0,224% mg −1 ⋅L, R DO 2 = 0,9838), kelembapan permukaan mata (S H = −0,031 log(Ω)/%RH, R H 2 = 0,9941) dan suhu ((S T = 5,777%/°C, R T 2 = 0,9995). Desain struktural sirkuit yang terinspirasi kirigami, bersama dengan pra-tekukan termal, dan proses perakitan cetak injeksi, memastikan integrasi BSCL yang tepat dan andal. Selain itu, simulasi mekanis dan termal sirkuit mengonfirmasi keamanan mekanis dan panasnya untuk kacamata. Uji hidrofilisitas dan sitotoksisitas semakin membuktikan kenyamanan dan biokeselamatan BSCL. Uji pemakaian in vivo pada mata beagle menunjukkan keberhasilan perolehan data tentang oksigen kornea, kelembapan, dan suhu dari permukaan mata yang diinduksi secara alami dan buatan. kondisi, yang menunjukkan kelayakan penerapan BSCL. Namun, karena penggunaan chip komersial, sulit untuk mengurangi ketebalan BSCL lebih lanjut berdasarkan proses desain dan pengemasan yang ada. Diharapkan bahwa ketebalan dan luas FPCB dapat dikurangi lebih lanjut dengan penerapan substrat yang menipis dan chip yang disesuaikan, sehingga memberikan pengalaman pemakaian yang lebih nyaman untuk BSCL. Selain itu, mengintegrasikan BSCL dengan sensor, aktuator, dan sistem pengiriman obat lainnya, bersama dengan platform diagnostik kecerdasan buatan, dapat menciptakan sistem perawatan kesehatan yang komprehensif. Integrasi ini akan menggabungkan pemantauan, diagnosis, dan perawatan, sehingga memajukan perawatan mata dan perawatan kesehatan.
4 Bagian Eksperimen
Persiapan Solusi Modifikasi RE dan Lapisan Modifikasi WE
Untuk persiapan larutan modifikasi RE, 800 mg polivinil butiral (PVB, Sigma–Aldrich) dilarutkan dalam 10 mL etanol dengan 500 mg NaCl, diikuti dengan penambahan 20 mg Pluronic F-127 (Sigma–Aldrich) dan 2 mg karbon nanotube berdinding banyak (MCNTS, Nanjing XFNANO Materials Tech Co., Ltd., Nanjing, Tiongkok). Campuran tersebut disonikasi selama 0,5 jam. Untuk membuat lapisan modifikasi WE (Gambar S3 , Informasi Pendukung), pertama-tama, lapisan nanopartikel emas ditumbuhkan pada elektroda WE dengan elektroplating, di mana arus katode ditetapkan pada 4 µA, dan arus anoda ditetapkan pada 0 µA. Total waktu pelapisan ditetapkan pada 210 detik. Kedua, larutan campuran yang mengandung karbon nanotube (Nanjing XFNANO Materials Tech Co., Ltd., Nanjing, Tiongkok) dan 0,33 mg mL −1 katalase (Sigma–Aldrich) disiapkan dan diteteskan ke lapisan nanopartikel emas. Setelah pengeringan, lapisan termodifikasi yang mengandung katalase dan karbon nanotube disiapkan. Terakhir, 1,67 mL asam asetat dengan konsentrasi volume 36% dan 315,10 mg bubuk kitosan (Sigma–Aldrich) dilarutkan dalam 30 mL air deionisasi. Setelah diaduk selama 90 menit dengan pengaduk magnetik, larutan kitosan yang diperoleh diteteskan ke lapisan katalase dan karbon nanotube untuk melindungi lapisan termodifikasi dan memfasilitasi transmisi oksigen.
Persiapan Larutan Interferensi untuk Pengujian Unit Penginderaan DO
Bubuk atau larutan NaCl, KCl, CaCl2 , NH4Cl , Na2CO3 , glukosa, dan glisin (Aladdin dan Merck) digunakan untuk menyiapkan larutan interferensi. Selanjutnya, air deionisasi digunakan sebagai cairan dasar untuk menyiapkan larutan dengan konsentrasi 1 M / L untuk masing-masing. Sekitar 200 mL air mata buatan digunakan untuk uji anti-interferensi. Konsentrasi DO disesuaikan dengan mengubah rasio N2 terhadap O2 dalam set pengujian (Gambar S8 , Informasi Pendukung). Awalnya, konsentrasi DO dalam air mata buatan adalah 7,4 mg L −1 . Sekitar 20 µL setiap larutan interferensi ditambahkan secara berurutan ke air mata buatan dengan interval 50 detik untuk mencapai konsentrasi interferensi 0,1 mm . Konsentrasi DO disesuaikan menjadi 3,5 mg L −1 pada 400 detik. Sekitar 200 µL masing-masing larutan interferensi ditambahkan secara berurutan ke air mata buatan untuk mencapai konsentrasi interferensi 1 mm .
Karakterisasi Listrik Perangkat
Uji kelistrikan sensor suhu dan kelembapan dilakukan pada penganalisis parameter semikonduktor Agilent B1500A. Penilaian kinerja sensor DO melibatkan stasiun kerja elektrokimia (CS350M, dari Wuhan Corrtest Instruments Co., Ltd., Wuhan, Tiongkok) dan detektor DO komersial (JPSJ-605F, dari Shanghai Yidian Scientific Instrument Co., Ltd., Shanghai, Tiongkok).
Analisis Distribusi Tegangan Dua Sirkuit Struktural
Analisis distribusi tegangan dilakukan menggunakan perangkat lunak Abaqus. Cetakan bagian dalam dengan diameter luar 9,8 mm menopang papan sirkuit fleksibel dalam simulasi, sedangkan cetakan bagian luar dengan diameter dalam 10 mm menerapkan perpindahan vertikal ke bawah pada papan sirkuit hingga benar-benar sesuai dengan cetakan bagian dalam dan luar. Perilaku normal ditetapkan pada kontak keras, dan perilaku tangensial ditetapkan pada tanpa gesekan. Papan sirkuit fleksibel terdiri dari polimida (PI), sedangkan chip kaku mengandung silikon (Si); parameter mekanisnya disajikan dalam Tabel S1 (Informasi Pendukung). Kurva tegangan-regangan papan sirkuit fleksibel PI sejajar dengan PI murni dalam literatur. [ 40 ] Kisi dibagi menggunakan elemen heksahedron linier delapan simpul C3D8R, dengan ukuran mata jaring 0,1 mm.
Stimulasi Distribusi Termal BSCL
Model 3D BSCL dibuat di Abaqus, dengan radius pandang BSCL 8 mm dan ketebalan 1,2 mm. Chip diposisikan 0,2 mm di bawah permukaan atas, dengan ketebalan 0,5 mm dan konsumsi daya 50 mW. Konverter arus searah (DC)-DC terletak 0,3 mm di bawah permukaan atas, dengan ketebalan 0,5 mm dan konsumsi daya 1 mW. Induktor juga diposisikan 0,3 mm di bawah permukaan atas, dengan ketebalan 0,5 mm dan konsumsi daya 1 mW. Sensor fleksibel terletak 0,7 mm di bawah permukaan atas, dengan ketebalan 0,05 mm dan konsumsi daya 10 mW. Konsumsi daya setiap komponen diasumsikan pada nilai maksimumnya. Bahan dan parameter termal tercantum dalam Tabel S2 (Informasi Pendukung). Selama simulasi, konveksi alami digunakan sebagai mekanisme perpindahan panas antara permukaan atas BSCL, yang bersentuhan dengan udara, dengan koefisien konveksi alami sebesar 0,015 (W m − 2 ·K). Suhu permukaan bawah BSCL dipertahankan pada 25 °C, konsisten dengan suhu sekitar. Model tersebut dijalin menggunakan elemen perpindahan panas linier 3D (DC3D8) dengan ukuran jala 0,7 mm.
Perakitan dan Enkapsulasi BSCL
Bahasa Indonesia: Untuk memperoleh FPCB yang dapat menopang sendiri, sepasang cetakan logam baja (Gambar S17 , Informasi Pendukung) digunakan untuk melakukan pra-tekukan termal dan memanipulasi FPCB agar sesuai dengan bentuk lensa kontak. FPCB disejajarkan dan ditempatkan di antara cetakan jantan 1 dan cetakan betina 1, dan cetakan-cetakan tersebut ditekan bersama-sama. Rakitan tersebut kemudian ditempatkan dalam oven dan dipanggang pada suhu 150°C selama 15 menit, yang memungkinkan FPCB memperoleh bentuk lensa kontak. Bahan PDMS yang digunakan untuk membungkus sirkuit fleksibel BSCL adalah kit dua komponen (Sylgard 184, Dow Corning). Prapolimer dan zat pengawet dari kit tersebut dicampur pada rasio berat 20:1 dan diaduk secara menyeluruh. Kemudian, gas tersebut didegaskan dalam ruang vakum selama 10 menit dan dituangkan ke dalam cetakan betina 2 (Gambar S18 , Informasi Pendukung). Bahasa Indonesia: Setelah 10 menit degassing vakum, cetakan jantan 2 digabungkan dengan cetakan betina 2, ditekan bersama, dan ditempatkan dalam oven pada suhu 65°C selama 4 jam untuk pengawetan. Cetakan dilepas, dan lapisan PDMS yang dihasilkan berfungsi sebagai cangkang luar BSCL. Selanjutnya, cangkang luar PDMS dan FPCB yang telah ditekuk sebelumnya ditempatkan secara berurutan ke dalam cetakan betina 3 (Gambar S19 , Informasi Pendukung), dan campuran PDMS dituang, diikuti dengan 10 menit degassing vakum. Cetakan jantan 3 kemudian digabungkan dengan cetakan betina 3, ditekan bersama, dan ditempatkan dalam oven pada suhu 65°C selama 4 jam untuk pengawetan. Cetakan dilepas untuk memperoleh BSCL yang dienkapsulasi dalam PDMS.
Modifikasi Hidrofilik BSCL
Reagen dan bahan kimia yang digunakan untuk menyiapkan lapisan hidrofilik BSCL adalah 99% difenil keton (dibeli dari Sigma–Aldrich), benzofenon (dibeli dari Sigma–Aldrich), etanol anhidrat (dibeli dari Sigma–Aldrich), akrilamida (A9099, dibeli dari Sigma–Aldrich), dan asam α-ketobutirat 98% (dibeli dari Sigma–Aldrich). Untuk menghilangkan kotoran dari permukaan PDMS, meningkatkan kekasaran permukaan, dan meningkatkan keterbasahan, BSCL yang dienkapsulasi PDMS ditempatkan dalam pembersih plasma oksigen (CPC-A-13.56, CIF International Group Co., Ltd., Beijing, Tiongkok) dan diolah dengan plasma oksigen pada tekanan 50 Pa dengan daya 150 W selama 1 menit. BSCL yang diolah dengan plasma direndam dalam larutan alkohol benzofenon 10% selama 1 menit untuk mengubur benzofenon inisiator pada permukaan PDMS dan berfungsi sebagai agen cangkok untuk mengikat silang substrat PDMS dengan polimer hidrogel berikutnya. Selanjutnya, benzofenon residu pada permukaan BSCL dibilas dengan larutan alkohol dan dikeringkan untuk penggunaan selanjutnya. Selain itu, BSCL direndam dalam larutan prepolimer hidrogel, yang disiapkan dengan mencampur 20 µL larutan berair fotoinisiator asam α-ketobutirat dengan konsentrasi massa 10%, dan 1 mL larutan berair akrilamida 2 m . Campuran tersebut kemudian disinari sinar ultraviolet dengan panjang gelombang emisi 365 nm dan total keluaran energi 9999 mJ cm − 2 selama 20 menit. Selama periode ini, hidrogel poliakrilamid ditumbuhkan melalui polimerisasi in-situ yang diinisiasi foto dari prepolimer hidrogel pada permukaan PDMS. Akhirnya, BSCL dibilas dengan air deionisasi, yang menghasilkan pertumbuhan lapisan hidrogel yang sangat tipis dengan ketebalan 2 µm pada permukaan PDMS (Gambar S21 , Informasi Pendukung).
Pengujian Permeabilitas Oksigen dan Kandungan Air pada BSCL
Permeabilitas oksigen BSCL diperiksa dengan instrumen dan teknik pengukuran khusus di Institut Kimia, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Tiongkok. Kadar air dari lapisan modifikasi hidrogel diukur dengan mengamati ketebalan hidrogel dalam keadaan dehidrasi dan terhidrasi di bawah mikroskop. Secara singkat, sampel ditempatkan dalam cawan kultur dan dipanaskan pada pelat panas 70 °C selama 30 menit untuk menghilangkan kelembapan dari lapisan hidrogel. Ketebalan hidrogel dehidrasi (t1) diukur. Air deionisasi ditambahkan ke cawan kultur sampai sampel terendam sepenuhnya, dan ketebalan sampel dalam keadaan terhidrasi (t2) diukur setelah stabilisasi. Kadar air dari lapisan modifikasi hidrogel dihitung menggunakan rumus berikut: (t2-t1)/t2×100%.
Uji Sitotoksisitas Sel dari Bahan Enkapsulasi
Uji sitotoksisitas untuk CCL dan BSCL dilakukan pada platform layanan penelitian Science Compass menggunakan uji CCK-8. Sebelum percobaan, CCL dan BSCL direndam dalam larutan penyangga fosfat (WH0112201 911XP, Procell) selama satu minggu, dan larutan diganti setiap hari untuk menghilangkan zat yang larut dalam air dari lapisan hidrofilik pada BSCL. Selanjutnya, CCL dan BSCL disterilkan melalui perlakuan uap suhu tinggi dan tekanan tinggi (121 °C selama 20 menit). Ekstrak dari CCL dan BSCL dikumpulkan dengan merendamnya dalam media kultur lengkap (3cm 2 mL −1 ) selama 24 jam dan disaring menggunakan membran 0,22 µm untuk menghilangkan bakteri. Ekstrak ini berfungsi sebagai sampel percobaan, sedangkan media kultur lengkap (100 µL/sumur) digunakan sebagai kelompok kontrol kosong. Sel epitel kornea manusia (sel HCE-T, Procell) disemai ke dalam sumur dan dikultur pada suhu 37°C dalam inkubator CO 2 5% selama 24 jam. Media kultur dibuang, dan sumur dicuci dengan PBS, dan diobati dengan 100 µL/sumur media kultur yang mengandung 10% CCK-8 selama 2 jam pada suhu 37 °C dalam inkubator CO 2 5% . Nilai serapan pada 450 nm dicatat menggunakan pembaca mikroplat (SPARK 10M, TECAN) untuk menentukan viabilitas sel.
Percobaan Pewarnaan Fluoresensi Sel Hidup/Mati
Percobaan pewarnaan fluoresensi sel hidup/mati dilakukan untuk menilai biokompatibilitas BSCL pada platform layanan penelitian Science Compass. Secara singkat, sampel eksperimen (CCL dan BSCL) dan sampel kontrol disiapkan menggunakan protokol yang dijelaskan dalam uji sitotoksisitas sel. Jenis sel dan media kultur yang digunakan dalam percobaan ini identik dengan yang digunakan dalam uji sitotoksisitas. Dalam percobaan ini, 1 mL media kultur penuh digunakan sebagai kelompok kontrol kosong, sedangkan 1 mL ekstrak CCL dan BSCL berfungsi sebagai kelompok eksperimen. Setelah menyemai sel HCE-T dan membudidayakannya selama 24 jam pada suhu 37°C dalam inkubator CO 2 5% , reagen kit pewarnaan sel hidup/mati (BB-4126, BestBio) ditambahkan untuk mewarnai sampel. Akhirnya, kelangsungan hidup (ditandai dengan fluoresensi hijau) dan kematian (ditandai dengan fluoresensi merah) diamati menggunakan mikroskop confocal laser (FV1200, Olympus).
Pemeriksaan Jaringan Anterior Mata Kelinci Menggunakan Mikroskop Slit-Lamp
Percobaan pemeriksaan jaringan anterior mata kelinci dilakukan di Eye Center Second Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou, Tiongkok. Untuk menyelidiki efek pemakaian BSCL pada segmen anterior mata kelinci, lima ekor kelinci Selandia Baru yang sehat dengan berat masing-masing 2,5 kg dipilih. Kelinci dibius dengan larutan natrium pentobarbital 0,5% dengan dosis 6 mL kg −1 melalui vena marginal telinga. Fotografi slit-lamp dilakukan untuk menangkap gambar segmen anterior mata kelinci di bawah cahaya putih. Selanjutnya, natrium fluorescein dioleskan ke kantung konjungtiva setiap kelinci, dan setelah berkedip, gambar segmen anterior ditangkap di bawah cahaya biru kobalt menggunakan slit lamp. Untuk mendapatkan gambar mata kelinci setelah memakai BSCL, kantung konjungtiva dibilas perlahan dengan garam. BSCL kemudian dilepas pada tiga titik waktu yang berbeda: segera, satu hari, dan tiga hari setelah pemakaian. Satu mata dari setiap kelinci dipilih secara acak sebagai mata percobaan untuk pemakaian lensa, sementara satu mata dari kelinci lain dipilih sebagai kontrol kosong tanpa pemakaian lensa (Gambar S24 , Informasi Pendukung). Metode yang sama digunakan untuk menangkap gambar segmen anterior pada setiap titik waktu. Setelah setiap sesi fotografi, kantung konjungtiva dibilas dengan lembut menggunakan garam, dan lensa kontak segera dipasang kembali. Semua percobaan dilakukan di bawah bimbingan operator profesional dan dilakukan dengan sepenuhnya mematuhi proses peninjauan etik Komite Etik Hewan dari Rumah Sakit Afiliasi Kedua Sekolah Kedokteran Universitas Zhejiang. Nomor persetujuan etik untuk percobaan hewan adalah (2024) No. 213.
Percobaan Memakai Mata Beagle
Percobaan penggunaan BSCL pada hewan dilakukan di Gateway Medical Innovation Center, Shanghai, Tiongkok. Hewan yang digunakan untuk pengambilan data permukaan mata dan percobaan evaluasi keamanan penggunaan BSCL adalah anjing beagle, dengan berat sekitar 15 kg. Sebelum mengenakan BSCL, anjing beagle dibius. Selama percobaan, tanda-tanda vital dan status hewan dipantau secara terus-menerus termasuk detak jantungnya. Saat mengenakan dan melepaskan BSCL, pinset digunakan untuk membuka kelopak mata dan mengambil BSCL. Pembuka kelopak mata digunakan untuk menahan kelopak mata agar tetap terbuka dan menjaga jarak tetap selama pengumpulan data permukaan mata dalam keadaan mata terbuka. Semua penelitian in vivo dilakukan sesuai dengan pedoman IACUC, dan nomor persetujuan etik (No. PCR2479) telah disetujui oleh IACUC dari pusat tersebut sebelum percobaan.