188bet足球生命(ming)科學(xue)(xue)與醫學(xue)(xue)部和合肥微(wei)尺度(du)物質科學(xue)(xue)國(guo)家研(yan)究中(zhong)心薛天/馬玉乾團隊(dui)，工程科學(xue)(xue)學(xue)(xue)院(yuan)龔興龍/王勝團隊(dui)，復旦大學(xue)(xue)化學(xue)(xue)系張凡團隊(dui)，以及(ji)國(guo)際科研(yan)機構(gou)共同(tong)作為通訊作者，結合視(shi)覺(jue)神經科學(xue)(xue)、高分子材料(liao)與創新納米(mi)融合技術(shu)，通過隱形眼鏡(jing)方式實(shi)現人(ren)類近紅外時空(kong)色彩圖像視(shi)覺(jue)。該研(yan)究成(cheng)果于(yu)5月22日在線發表(biao)于(yu)國(guo)際頂(ding)級期刊(kan)Cell上，被Cell press進行News release專題(ti)報道。
自(zi)然(ran)界中存在包括可見光(guang)(guang)在內廣泛波(bo)長范圍的(de)(de)電(dian)磁波(bo)，然(ran)而能夠被我們的(de)(de)眼睛所感知(zhi)的(de)(de)可見光(guang)(guang)只占電(dian)磁波(bo)譜(pu)很小(xiao)的(de)(de)一部分(fen)（圖1），人(ren)(ren)眼所見光(guang)(guang)譜(pu)范圍的(de)(de)局限(xian)是由(you)(you)視(shi)網膜(mo)感光(guang)(guang)細胞中的(de)(de)感光(guang)(guang)蛋白(bai) （Opsin） 固(gu)有的(de)(de)物(wu)理化學(xue)特性所決定。感光(guang)(guang)波(bo)譜(pu)缺(que)陷(xian)會(hui)帶來色(se)盲等(deng)視(shi)覺疾病，同時為(wei)了(le)看到紅(hong)外線(xian)人(ren)(ren)類(lei)研發出夜視(shi)儀等(deng)裝備。薛天/馬玉乾研究團隊和韓綱教授研究組(zu)2019年(nian)在 Cell 上(shang)發表研究論(lun)文，利用(yong)一種(zhong)轉換紅(hong)外光(guang)(guang)成為(wei)可見光(guang)(guang)的(de)(de)上(shang)轉換納(na)米(mi)材料，經特殊修飾后注射到動(dong)物(wu)視(shi)網膜(mo)中，首次實現了(le)哺(bu)乳動(dong)物(wu)的(de)(de)裸眼近紅(hong)外圖像視(shi)覺能力。然(ran)而，由(you)(you)于眼內注射的(de)(de)方(fang)式在人(ren)(ren)體(ti)(ti)上(shang)應用(yong)受限(xian)，如何通過非侵(qin)入性方(fang)式相對自(zi)由(you)(you)的(de)(de)調節(jie)人(ren)(ren)眼感光(guang)(guang)波(bo)譜(pu)范圍，甚(shen)至賦予人(ren)(ren)類(lei)近紅(hong)外視(shi)覺能力，就(jiu)成為(wei)這項技(ji)術在人(ren)(ren)體(ti)(ti)上(shang)實際(ji)應用(yong)的(de)(de)挑戰。
圖1.電磁波(bo)和可見(jian)光波(bo)譜(pu)
高分子聚合材料制備的軟性透明隱形眼鏡被廣泛應用于視力矯正，這為我們實現人類近紅外視覺提供了一個可佩戴式的解決方案。然而，制備適合人類視覺的近紅(hong)外(wai)光(guang)上(shang)(shang)轉換(huan)(huan)隱(yin)形(xing)眼鏡（UpconversionContactLenses，UCLs），勢(shi)必要解決高(gao)(gao)效(xiao)上(shang)(shang)轉換(huan)(huan)能力(li)（高(gao)(gao)濃度上(shang)(shang)轉換(huan)(huan)納(na)(na)(na)(na)米顆粒(li)摻(chan)雜(za)）和(he)良好光(guang)學性能（高(gao)(gao)透(tou)明度）的(de)(de)問題(ti)。但是，納(na)(na)(na)(na)米顆粒(li)在(zai)高(gao)(gao)分子聚(ju)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)中的(de)(de)融合(he)(he)(he)會改變其(qi)光(guang)學性質，使得難以(yi)獲得高(gao)(gao)濃度、高(gao)(gao)透(tou)明度的(de)(de)納(na)(na)(na)(na)米復合(he)(he)(he)物材(cai)料(liao)(liao)(liao)。為此，研究人員對上(shang)(shang)轉換(huan)(huan)納(na)(na)(na)(na)米顆粒(li)（Upconversion Nanoparticles,UCNPs）進行表面修飾提高(gao)(gao)其(qi)在(zai)高(gao)(gao)分子聚(ju)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)中均勻分散性，同時篩選出(chu)與UCNPs折射率匹配的(de)(de)高(gao)(gao)分子聚(ju)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。獲得了高(gao)(gao)摻(chan)雜(za)比例（7-9%）的(de)(de)近紅(hong)外(wai)光(guang)上(shang)(shang)轉換(huan)(huan)隱(yin)形(xing)眼鏡，在(zai)大多數可見(jian)光(guang)波譜范圍內(nei)表現出(chu)超過(guo)90%的(de)(de)透(tou)明度。這比國際上(shang)(shang)已報道的(de)(de)0.04-2%UCNPs摻(chan)雜(za)的(de)(de)其(qi)他高(gao)(gao)分子聚(ju)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)納(na)(na)(na)(na)米復合(he)(he)(he)物材(cai)料(liao)(liao)(liao)具(ju)有(you)顯著性能提升。
研究人員進(jin)一步驗證了這種近(jin)(jin)紅(hong)外(wai)(wai)光上轉換隱形眼鏡(jing)（Upconversion Contact Lenses,UCLs）具有較好的(de)(de)力學性(xing)(xing)質、光學性(xing)(xing)能、親水性(xing)(xing)和(he)較高的(de)(de)生物(wu)相容性(xing)(xing)。佩戴UCLs的(de)(de)小鼠不(bu)僅獲得感(gan)知近(jin)(jin)紅(hong)外(wai)(wai)光的(de)(de)能力，還(huan)可以分辨(bian)不(bu)同時間頻率和(he)不(bu)同方(fang)位的(de)(de)近(jin)(jin)紅(hong)外(wai)(wai)光信息。更重(zhong)要的(de)(de)是，佩戴UCLs的(de)(de)人類(lei)志愿者(zhe)不(bu)僅可以看到一定(ding)光強(qiang)范圍的(de)(de)近(jin)(jin)紅(hong)外(wai)(wai)光，還(huan)可以準確(que)識別近(jin)(jin)紅(hong)外(wai)(wai)光的(de)(de)時間編碼(ma)信息。
在僅利用UCLs進行近(jin)紅(hong)外(wai)空間信(xin)息識(shi)別時，由于紅(hong)外(wai)圖(tu)像信(xin)息被UCLs轉(zhuan)換為散射的(de)可見光，導致人類志愿者(zhe)僅能(neng)獲(huo)得(de)粗糙的(de)近(jin)紅(hong)外(wai)圖(tu)像辨(bian)別能(neng)力。為了克服這一(yi)困難，研究人員開發了一(yi)種內置(zhi)UCLs的(de)可穿(chuan)戴式框架眼鏡系統（wearableeyeglass system）。通過優化(hua)光學設計，對UCLs轉(zhuan)換后的(de)近(jin)紅(hong)外(wai)空間信(xin)息進行成像處(chu)理，使志愿者(zhe)能(neng)夠獲(huo)得(de)與可見光視(shi)(shi)覺(jue)一(yi)樣空間分辨(bian)率的(de)近(jin)紅(hong)外(wai)圖(tu)像視(shi)(shi)覺(jue)，進而實現(xian)對復雜(za)近(jin)紅(hong)外(wai)圖(tu)形的(de)精確識(shi)別。
除了(le)時間和(he)(he)空(kong)間信(xin)(xin)息(xi)外，視覺感知還可(ke)以(yi)(yi)在色(se)(se)彩(cai)維度上傳(chuan)遞豐富(fu)的(de)(de)信(xin)(xin)息(xi)。可(ke)見光(guang)(guang)(guang)中的(de)(de)色(se)(se)彩(cai)信(xin)(xin)息(xi)是由波(bo)長決定(ding)的(de)(de)。與可(ke)見光(guang)(guang)(guang)相比，紅(hong)(hong)(hong)外光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)波(bo)譜(pu)(pu)范圍更廣。為(wei)了(le)感知在自然環(huan)境中廣泛存(cun)在的(de)(de)多(duo)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)紅(hong)(hong)(hong)外光(guang)(guang)(guang)，研究人(ren)員使用三色(se)(se)正交(jiao)(jiao)UCNPs（trichromatic UCNPs）取代了(le)傳(chuan)統(tong)的(de)(de)UCNPs，可(ke)以(yi)(yi)將三種(zhong)不同光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)的(de)(de)近(jin)(jin)(jin)紅(hong)(hong)(hong)外光(guang)(guang)(guang)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)紅(hong)(hong)(hong)、綠、藍三基色(se)(se)的(de)(de)可(ke)見光(guang)(guang)(guang)，同時避免了(le)發射光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)波(bo)段的(de)(de)干擾問題。通過佩戴由trichromatic UCNPs制備成(cheng)的(de)(de)三色(se)(se)上轉(zhuan)換(huan)隱形(xing)眼鏡(jing)（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），志(zhi)愿(yuan)(yuan)者可(ke)以(yi)(yi)有(you)效地識別三種(zhong)波(bo)長的(de)(de)近(jin)(jin)(jin)紅(hong)(hong)(hong)外光(guang)(guang)(guang)，感知多(duo)種(zhong)近(jin)(jin)(jin)紅(hong)(hong)(hong)外色(se)(se)彩(cai)。此外，通過色(se)(se)彩(cai)、時間、空(kong)間信(xin)(xin)息(xi)的(de)(de)結合，志(zhi)愿(yuan)(yuan)者可(ke)以(yi)(yi)準(zhun)確(que)識別出(chu)更豐富(fu)的(de)(de)近(jin)(jin)(jin)紅(hong)(hong)(hong)外光(guang)(guang)(guang)編碼的(de)(de)多(duo)維度信(xin)(xin)息(xi)。這表明具有(you)抗(kang)干擾、正交(jiao)(jiao)和(he)(he)多(duo)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)轉(zhuan)換(huan)特性的(de)(de)tUCLs可(ke)以(yi)(yi)有(you)效地實(shi)現人(ren)類(lei)近(jin)(jin)(jin)紅(hong)(hong)(hong)外色(se)(se)彩(cai)圖像視覺（圖2）。
圖(tu)2.各種(zhong)圖(tu)形(xing)（不同(tong)反射波(bo)譜(pu)的反射鏡(jing)片模擬）通(tong)過tUCLs內置(zhi)的可穿戴式框架眼鏡(jing)系(xi)統在可見光(guang)和近紅外光(guang)照射下(xia)的色彩顯示
總體而言，這項研究通過視覺(jue)(jue)生理(li)與(yu)納米材(cai)料(liao)技(ji)(ji)術相結(jie)合，制備(bei)高透明、高轉化效率的(de)上(shang)轉換隱形眼鏡，實現了無需電源(yuan)和(he)(he)復雜外(wai)(wai)(wai)部設(she)備(bei)、可穿(chuan)戴(dai)的(de)人(ren)類(lei)近紅外(wai)(wai)(wai)圖(tu)像視覺(jue)(jue)能(neng)力(li)拓展，能(neng)夠使人(ren)類(lei)感知近紅外(wai)(wai)(wai)光(guang)的(de)時(shi)間(jian)、空間(jian)和(he)(he)色(se)彩多維度信息（圖(tu)3）。實現了多紅外(wai)(wai)(wai)光(guang)譜轉換的(de)人(ren)類(lei)近紅外(wai)(wai)(wai)色(se)彩視覺(jue)(jue)的(de)概(gai)念(nian)驗證。未來在醫療、信息處理(li)及(ji)視覺(jue)(jue)輔助技(ji)(ji)術領域具有廣(guang)泛應用前景。此外(wai)(wai)(wai)，通過非侵入(ru)方式靈(ling)活調節人(ren)體視覺(jue)(jue)波(bo)譜范圍，也有望為色(se)盲等視覺(jue)(jue)疾(ji)病的(de)治療提供新的(de)解決(jue)方案(an)。
研究團隊指出，這項技術是原理驗證性工作(zuo)， 仍(reng)有進一(yi)步優(you)化空間，例如 目(mu)(mu)前的(de)(de)上轉換(huan)效(xiao)率還需(xu)要紅(hong)外光(guang)源(yuan)的(de)(de)輔助(zhu)照(zhao)射(she)。 另外上轉換(huan)隱(yin)形眼(yan)鏡如能(neng)(neng)實現(xian)(xian)發(fa)射(she)光(guang)的(de)(de)定向(xiang)輸出，就可能(neng)(neng)不依賴(lai)于鏡框(kuang)光(guang)學(xue)(xue)系統直接實現(xian)(xian)隱(yin)形眼(yan)鏡介導的(de)(de)精細(xi)近紅(hong)外圖形視(shi)覺(jue)。 這些目(mu)(mu)標的(de)(de)實現(xian)(xian)，需(xu)要視(shi)覺(jue)生(sheng)理學(xue)(xue)、材料(liao)科學(xue)(xue)與光(guang)學(xue)(xue)等多個學(xue)(xue)科進一(yi)步緊密(mi)合作(zuo)。
圖3. 上轉換隱形眼鏡實現人類近紅(hong)外時(shi)空色彩視覺
中(zhong)國(guo)(guo)(guo)金宝搏入口188生醫部(bu)和(he)合(he)肥微尺度物(wu)質科(ke)學(xue)(xue)(xue)國(guo)(guo)(guo)家研(yan)究中(zhong)心的(de)(de)馬(ma)玉乾(qian)教(jiao)(jiao)授、博士(shi)生陳雨(yu)諾、工(gong)程(cheng)科(ke)學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)院(yuan)王勝副教(jiao)(jiao)授、復旦大(da)學(xue)(xue)(xue)化學(xue)(xue)(xue)系博士(shi)生陳子晗以及韓綱研(yan)究組張原瑋博士(shi)為(wei)該論文的(de)(de)共(gong)同第(di)(di)一作(zuo)者。中(zhong)國(guo)(guo)(guo)金宝搏入口188薛天教(jiao)(jiao)授為(wei)首要(yao)通訊作(zuo)者，馬(ma)玉乾(qian)教(jiao)(jiao)授、龔興龍教(jiao)(jiao)授、王勝副教(jiao)(jiao)授、韓綱教(jiao)(jiao)授、張凡教(jiao)(jiao)授為(wei)論文的(de)(de)共(gong)同通訊作(zuo)者。188bet足球為(wei)本項工(gong)作(zuo)的(de)(de)第(di)(di)一作(zuo)者和(he)最后通訊作(zuo)者單位。該研(yan)究得到人類(lei)前沿(yan)科(ke)學(xue)(xue)(xue)項目(mu)(mu)(mu)及多個國(guo)(guo)(guo)際科(ke)研(yan)項目(mu)(mu)(mu)和(he)基(ji)(ji)(ji)金的(de)(de)支(zhi)(zhi)持(chi)。同時也(ye)得到科(ke)技部(bu)、基(ji)(ji)(ji)金委、中(zhong)國(guo)(guo)(guo)科(ke)學(xue)(xue)(xue)院(yuan)、安徽(hui)省科(ke)技廳等部(bu)門(men)的(de)(de)項目(mu)(mu)(mu)基(ji)(ji)(ji)金支(zhi)(zhi)持(chi)，以及新(xin)基(ji)(ji)(ji)石研(yan)究員(yuan)項目(mu)(mu)(mu)、科(ke)學(xue)(xue)(xue)探索獎、峰基(ji)(ji)(ji)金等基(ji)(ji)(ji)金的(de)(de)資助(zhu)。此外(wai)，該工(gong)作(zuo)還(huan)得到188bet足球物(wu)理學(xue)(xue)(xue)院(yuan)陳宇翱教(jiao)(jiao)授、殷旭飛博士(shi)的(de)(de)技術支(zhi)(zhi)持(chi)。
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（生命科(ke)學與醫(yi)學部、科(ke)研部）
