188bet足球生命科(ke)學(xue)(xue)與醫學(xue)(xue)部和合(he)肥(fei)微(wei)尺度(du)物質科(ke)學(xue)(xue)國(guo)家研(yan)究中心(xin)薛天/馬玉乾(qian)團隊，工(gong)程(cheng)科(ke)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院龔興龍(long)/王勝團隊，復旦(dan)大學(xue)(xue)化學(xue)(xue)系張凡團隊，以及國(guo)際科(ke)研(yan)機構(gou)共同(tong)作為通訊作者，結(jie)合(he)視覺神經科(ke)學(xue)(xue)、高分子材(cai)料與創新(xin)納米融合(he)技術，通過隱(yin)形眼鏡方式(shi)實現人類近紅外時空色彩圖像視覺。該研(yan)究成果于5月22日(ri)在線發表(biao)于國(guo)際頂級(ji)期刊Cell上，被Cell press進(jin)行News release專題(ti)報道。
自(zi)然(ran)(ran)界中(zhong)存(cun)在(zai)包(bao)括可(ke)見(jian)(jian)光(guang)在(zai)內廣(guang)泛波(bo)(bo)長范圍的(de)(de)電磁(ci)波(bo)(bo)，然(ran)(ran)而能夠(gou)被我們的(de)(de)眼(yan)睛所(suo)感知(zhi)的(de)(de)可(ke)見(jian)(jian)光(guang)只占電磁(ci)波(bo)(bo)譜(pu)(pu)很(hen)小的(de)(de)一(yi)部分（圖1），人(ren)眼(yan)所(suo)見(jian)(jian)光(guang)譜(pu)(pu)范圍的(de)(de)局限(xian)是(shi)由視(shi)網膜感光(guang)細胞中(zhong)的(de)(de)感光(guang)蛋白(bai) （Opsin） 固有的(de)(de)物理化學特性所(suo)決定。感光(guang)波(bo)(bo)譜(pu)(pu)缺(que)陷會(hui)帶(dai)來色盲等視(shi)覺疾(ji)病，同(tong)時為了看(kan)到紅外(wai)線人(ren)類研(yan)發(fa)出夜視(shi)儀等裝備(bei)。薛天/馬玉乾研(yan)究團隊和韓綱教授研(yan)究組2019年在(zai) Cell 上發(fa)表研(yan)究論文，利(li)用(yong)一(yi)種轉(zhuan)換紅外(wai)光(guang)成(cheng)為可(ke)見(jian)(jian)光(guang)的(de)(de)上轉(zhuan)換納(na)米材料，經特殊(shu)修飾后注射到動(dong)物視(shi)網膜中(zhong)，首次實現了哺乳動(dong)物的(de)(de)裸眼(yan)近紅外(wai)圖像(xiang)視(shi)覺能力。然(ran)(ran)而，由于眼(yan)內注射的(de)(de)方式在(zai)人(ren)體上應(ying)用(yong)受限(xian)，如何通過(guo)非侵入(ru)性方式相對自(zi)由的(de)(de)調(diao)節人(ren)眼(yan)感光(guang)波(bo)(bo)譜(pu)(pu)范圍，甚至賦(fu)予人(ren)類近紅外(wai)視(shi)覺能力，就成(cheng)為這項(xiang)技術(shu)在(zai)人(ren)體上實際應(ying)用(yong)的(de)(de)挑戰。
圖1.電磁波和(he)可見光(guang)波譜
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(jin)紅外光(guang)上(shang)轉(zhuan)換(huan)(huan)隱形眼(yan)鏡（UpconversionContactLenses，UCLs），勢必(bi)要解(jie)決(jue)高(gao)效上(shang)轉(zhuan)換(huan)(huan)能(neng)力(li)（高(gao)濃(nong)度(du)上(shang)轉(zhuan)換(huan)(huan)納(na)米(mi)(mi)顆(ke)粒(li)摻(chan)雜(za)(za)）和良好光(guang)學性能(neng)（高(gao)透(tou)明(ming)度(du)）的(de)問(wen)題。但(dan)是(shi)，納(na)米(mi)(mi)顆(ke)粒(li)在高(gao)分(fen)子(zi)聚(ju)(ju)(ju)合(he)材(cai)(cai)(cai)料中(zhong)(zhong)的(de)融合(he)會改變其(qi)光(guang)學性質，使得(de)(de)難以(yi)獲(huo)得(de)(de)高(gao)濃(nong)度(du)、高(gao)透(tou)明(ming)度(du)的(de)納(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)物(wu)材(cai)(cai)(cai)料。為此，研究人員對上(shang)轉(zhuan)換(huan)(huan)納(na)米(mi)(mi)顆(ke)粒(li)（Upconversion Nanoparticles,UCNPs）進行表(biao)面修飾提高(gao)其(qi)在高(gao)分(fen)子(zi)聚(ju)(ju)(ju)合(he)材(cai)(cai)(cai)料中(zhong)(zhong)均勻分(fen)散性，同時篩選(xuan)出與UCNPs折射率匹配的(de)高(gao)分(fen)子(zi)聚(ju)(ju)(ju)合(he)材(cai)(cai)(cai)料。獲(huo)得(de)(de)了(le)高(gao)摻(chan)雜(za)(za)比例（7-9%）的(de)近(jin)紅外光(guang)上(shang)轉(zhuan)換(huan)(huan)隱形眼(yan)鏡，在大多(duo)數可見光(guang)波譜范圍內表(biao)現出超過90%的(de)透(tou)明(ming)度(du)。這比國際上(shang)已報道(dao)的(de)0.04-2%UCNPs摻(chan)雜(za)(za)的(de)其(qi)他高(gao)分(fen)子(zi)聚(ju)(ju)(ju)合(he)材(cai)(cai)(cai)料的(de)納(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)物(wu)材(cai)(cai)(cai)料具有(you)顯著性能(neng)提升。
研究人員進一(yi)(yi)步驗證了這種近紅外光(guang)(guang)上(shang)轉換隱形眼鏡（Upconversion Contact Lenses,UCLs）具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)(de)(de)力學性(xing)(xing)質(zhi)、光(guang)(guang)學性(xing)(xing)能(neng)、親水(shui)性(xing)(xing)和較(jiao)高的(de)(de)(de)生物相容性(xing)(xing)。佩戴UCLs的(de)(de)(de)小鼠不(bu)(bu)(bu)僅獲得感(gan)知近紅外光(guang)(guang)的(de)(de)(de)能(neng)力，還可(ke)(ke)以(yi)(yi)分辨不(bu)(bu)(bu)同時(shi)間(jian)頻(pin)率(lv)和不(bu)(bu)(bu)同方(fang)位的(de)(de)(de)近紅外光(guang)(guang)信息。更(geng)重要(yao)的(de)(de)(de)是，佩戴UCLs的(de)(de)(de)人類(lei)志(zhi)愿者不(bu)(bu)(bu)僅可(ke)(ke)以(yi)(yi)看(kan)到一(yi)(yi)定光(guang)(guang)強范圍的(de)(de)(de)近紅外光(guang)(guang)，還可(ke)(ke)以(yi)(yi)準確識別近紅外光(guang)(guang)的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)編碼(ma)信息。
在僅利用UCLs進(jin)行(xing)近(jin)紅(hong)外(wai)空間(jian)信息識別(bie)時，由于紅(hong)外(wai)圖(tu)像信息被UCLs轉(zhuan)換為(wei)散射的(de)(de)(de)(de)可(ke)見光(guang)，導致人類志愿(yuan)者(zhe)僅能獲得粗糙(cao)的(de)(de)(de)(de)近(jin)紅(hong)外(wai)圖(tu)像辨別(bie)能力。為(wei)了(le)克服這一困難，研(yan)究人員(yuan)開發了(le)一種內置UCLs的(de)(de)(de)(de)可(ke)穿(chuan)戴(dai)式(shi)框架(jia)眼鏡系統（wearableeyeglass system）。通過優化光(guang)學設計，對(dui)(dui)UCLs轉(zhuan)換后的(de)(de)(de)(de)近(jin)紅(hong)外(wai)空間(jian)信息進(jin)行(xing)成像處理(li)，使志愿(yuan)者(zhe)能夠獲得與可(ke)見光(guang)視覺(jue)一樣(yang)空間(jian)分辨率的(de)(de)(de)(de)近(jin)紅(hong)外(wai)圖(tu)像視覺(jue)，進(jin)而實現(xian)對(dui)(dui)復雜(za)近(jin)紅(hong)外(wai)圖(tu)形的(de)(de)(de)(de)精確識別(bie)。
除了(le)(le)時間和空間信(xin)息(xi)外(wai)(wai)，視(shi)覺(jue)感(gan)知還可(ke)以(yi)在色(se)彩(cai)(cai)維度上傳遞豐(feng)富(fu)的(de)(de)(de)信(xin)息(xi)。可(ke)見光(guang)(guang)中(zhong)的(de)(de)(de)色(se)彩(cai)(cai)信(xin)息(xi)是由波(bo)長決(jue)定(ding)的(de)(de)(de)。與可(ke)見光(guang)(guang)相比，紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)波(bo)譜(pu)范圍更(geng)廣。為了(le)(le)感(gan)知在自然環(huan)境(jing)中(zhong)廣泛存(cun)在的(de)(de)(de)多(duo)光(guang)(guang)譜(pu)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)(guang)，研(yan)究人員使(shi)用三(san)色(se)正(zheng)交(jiao)UCNPs（trichromatic UCNPs）取代(dai)了(le)(le)傳統的(de)(de)(de)UCNPs，可(ke)以(yi)將三(san)種(zhong)不(bu)同光(guang)(guang)譜(pu)的(de)(de)(de)近紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)(guang)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)紅(hong)(hong)、綠、藍三(san)基色(se)的(de)(de)(de)可(ke)見光(guang)(guang)，同時避免了(le)(le)發射光(guang)(guang)譜(pu)波(bo)段的(de)(de)(de)干擾(rao)(rao)問題(ti)。通過佩(pei)戴由trichromatic UCNPs制備成(cheng)的(de)(de)(de)三(san)色(se)上轉(zhuan)換(huan)隱(yin)形(xing)眼鏡(jing)（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），志愿者可(ke)以(yi)有(you)(you)效(xiao)地識(shi)別(bie)三(san)種(zhong)波(bo)長的(de)(de)(de)近紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)(guang)，感(gan)知多(duo)種(zhong)近紅(hong)(hong)外(wai)(wai)色(se)彩(cai)(cai)。此外(wai)(wai)，通過色(se)彩(cai)(cai)、時間、空間信(xin)息(xi)的(de)(de)(de)結合，志愿者可(ke)以(yi)準確識(shi)別(bie)出更(geng)豐(feng)富(fu)的(de)(de)(de)近紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)(guang)編碼的(de)(de)(de)多(duo)維度信(xin)息(xi)。這表(biao)明具(ju)有(you)(you)抗干擾(rao)(rao)、正(zheng)交(jiao)和多(duo)光(guang)(guang)譜(pu)轉(zhuan)換(huan)特(te)性的(de)(de)(de)tUCLs可(ke)以(yi)有(you)(you)效(xiao)地實(shi)現(xian)人類近紅(hong)(hong)外(wai)(wai)色(se)彩(cai)(cai)圖像視(shi)覺(jue)（圖2）。
圖2.各種圖形（不同反射波譜的反射鏡片模擬）通(tong)過tUCLs內(nei)置(zhi)的可穿戴(dai)式框架眼(yan)鏡系統(tong)在可見(jian)光和近紅外光照射下的色彩(cai)顯示(shi)
總體(ti)而言，這項研(yan)究通過視(shi)覺(jue)生理(li)與(yu)納(na)米(mi)材料(liao)技(ji)術相結合，制(zhi)備高透明、高轉(zhuan)化效率的(de)上轉(zhuan)換隱(yin)形(xing)眼鏡，實(shi)現了(le)無需(xu)電源和復(fu)雜外部設備、可穿戴的(de)人(ren)類近(jin)紅(hong)外圖像視(shi)覺(jue)能(neng)力(li)拓展，能(neng)夠使(shi)人(ren)類感知近(jin)紅(hong)外光的(de)時間、空間和色彩(cai)多維(wei)度信息（圖3）。實(shi)現了(le)多紅(hong)外光譜(pu)轉(zhuan)換的(de)人(ren)類近(jin)紅(hong)外色彩(cai)視(shi)覺(jue)的(de)概念驗證。未來在醫療、信息處理(li)及視(shi)覺(jue)輔(fu)助技(ji)術領域具有(you)廣泛應用前(qian)景。此(ci)外，通過非侵入方(fang)(fang)式靈活調節人(ren)體(ti)視(shi)覺(jue)波(bo)譜(pu)范圍，也有(you)望(wang)為(wei)色盲等視(shi)覺(jue)疾病的(de)治療提供新的(de)解決(jue)方(fang)(fang)案。
研究(jiu)團隊指出(chu)，這項技術是原理驗證性工作(zuo)， 仍有(you)進(jin)一步(bu)優(you)化空間，例如(ru) 目前(qian)的(de)上(shang)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率還需要紅外光(guang)源的(de)輔助照射。 另外上(shang)轉(zhuan)換(huan)(huan)隱(yin)形(xing)眼(yan)(yan)鏡(jing)如(ru)能實(shi)現(xian)(xian)發射光(guang)的(de)定向輸(shu)出(chu)，就可能不依賴于鏡(jing)框(kuang)光(guang)學(xue)(xue)(xue)系統直接實(shi)現(xian)(xian)隱(yin)形(xing)眼(yan)(yan)鏡(jing)介導的(de)精細近紅外圖形(xing)視(shi)覺。 這些(xie)目標的(de)實(shi)現(xian)(xian)，需要視(shi)覺生(sheng)理學(xue)(xue)(xue)、材料(liao)科學(xue)(xue)(xue)與(yu)光(guang)學(xue)(xue)(xue)等(deng)多個學(xue)(xue)(xue)科進(jin)一步(bu)緊(jin)密(mi)合作(zuo)。
圖(tu)3. 上轉換隱形眼鏡實現人類近紅外時空色彩視(shi)覺
中國(guo)金宝搏入口188生(sheng)醫部和(he)(he)合肥微尺度物質科學(xue)國(guo)家研(yan)究(jiu)中心的(de)馬(ma)玉乾教(jiao)授(shou)(shou)、博(bo)士生(sheng)陳雨(yu)諾(nuo)、工(gong)程科學(xue)學(xue)院(yuan)王勝副教(jiao)授(shou)(shou)、復旦大學(xue)化學(xue)系博(bo)士生(sheng)陳子晗以及韓(han)綱研(yan)究(jiu)組(zu)張(zhang)原瑋博(bo)士為該(gai)論文的(de)共(gong)同第一作(zuo)者(zhe)。中國(guo)金宝搏入口188薛天教(jiao)授(shou)(shou)為首要通訊(xun)(xun)作(zuo)者(zhe)，馬(ma)玉乾教(jiao)授(shou)(shou)、龔興龍教(jiao)授(shou)(shou)、王勝副教(jiao)授(shou)(shou)、韓(han)綱教(jiao)授(shou)(shou)、張(zhang)凡教(jiao)授(shou)(shou)為論文的(de)共(gong)同通訊(xun)(xun)作(zuo)者(zhe)。188bet足球為本項(xiang)工(gong)作(zuo)的(de)第一作(zuo)者(zhe)和(he)(he)最后(hou)通訊(xun)(xun)作(zuo)者(zhe)單位。該(gai)研(yan)究(jiu)得到(dao)人類前沿(yan)科學(xue)項(xiang)目(mu)及多(duo)個國(guo)際科研(yan)項(xiang)目(mu)和(he)(he)基(ji)(ji)(ji)金(jin)的(de)支(zhi)持。同時也得到(dao)科技(ji)部、基(ji)(ji)(ji)金(jin)委、中國(guo)科學(xue)院(yuan)、安徽省(sheng)科技(ji)廳等部門(men)的(de)項(xiang)目(mu)基(ji)(ji)(ji)金(jin)支(zhi)持，以及新基(ji)(ji)(ji)石研(yan)究(jiu)員項(xiang)目(mu)、科學(xue)探(tan)索獎、峰基(ji)(ji)(ji)金(jin)等基(ji)(ji)(ji)金(jin)的(de)資助。此外，該(gai)工(gong)作(zuo)還得到(dao)188bet足球物理學(xue)院(yuan)陳宇翱教(jiao)授(shou)(shou)、殷旭(xu)飛博(bo)士的(de)技(ji)術(shu)支(zhi)持。
論文鏈接：//www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00454-4
（生命科學(xue)與醫學(xue)部(bu)、科研部(bu)）
