近日，中國(guo)金宝搏入口188工(gong)程科學學院龔興(xing)龍/王(wang)勝團(tuan)隊，聯合生命(ming)科學(xue)學(xue)院(yuan)薛天/馬玉乾團隊、復旦大學化(hua)學系張凡團隊，以(yi)及國際科研(yan)機構等，通過(guo)對柔性(xing)高分(fen)子材料的力(li)-光(guang)學(xue)耦合性能合理設計(ji)，開發出了新型可穿戴隱形眼鏡，實現人類(lei)近紅(hong)外時空(kong)色(se)彩圖像視覺(jue)。該研究成果(guo)于2025年(nian)5月22日在線發表于(yu)國際(ji)學術(shu)期刊Cell上，被Cell press進行News release專題報(bao)道，同時也被中(zhong)國(guo)新聞網、安徽(hui)日報(bao)和科學網等多(duo)家國(guo)內(nei)媒(mei)體報(bao)道。

自然(ran)界中存在包括可(ke)見光(guang)(guang)(guang)在內廣泛波長范圍的電(dian)磁(ci)波，然(ran)而能夠被人類(lei)眼(yan)睛所感知的可(ke)見光(guang)(guang)(guang)只(zhi)占電(dian)磁(ci)波譜很小的一部分，人眼(yan)所見光(guang)(guang)(guang)譜范圍的局(ju)限是由(you)視網膜感光(guang)(guang)(guang)細胞中的感光(guang)(guang)(guang)蛋白(bai)（Opsin）固有(you)的(de)物(wu)理(li)化(hua)學特性所決定。感(gan)光(guang)波(bo)譜缺(que)陷會帶來色盲等(deng)視(shi)(shi)覺疾病，同(tong)時(shi)為了看到紅(hong)外(wai)(wai)線(xian)，人類已研發出夜(ye)視(shi)(shi)儀等(deng)裝備。然而(er)，相關設備笨重、價(jia)格(ge)昂貴，遠遠不能(neng)廣泛普及應用。因(yin)此，如何開發新型柔性可(ke)穿(chuan)戴紅(hong)外(wai)(wai)可(ke)視(shi)(shi)技術并進(jin)行實際臨床實驗是調(diao)節人眼感(gan)光(guang)波(bo)譜范圍，甚(shen)至(zhi)賦予人類近紅(hong)外(wai)(wai)視(shi)(shi)覺能(neng)力的(de)巨(ju)大挑戰(zhan)和(he)前(qian)提。

由高(gao)分(fen)子聚合(he)材(cai)料制(zhi)備的柔性透(tou)明(ming)隱形(xing)眼鏡被廣泛應(ying)用于視(shi)力矯正，這為我(wo)們實現人類近(jin)紅外(wai)視(shi)覺提供了(le)一個可(ke)佩(pei)戴式(shi)的解決方案。然而(er)，制(zhi)備具有近(jin)紅外(wai)光(guang)轉換(huan)效應(ying)的隱形(xing)眼鏡勢必要在(zai)現有眼鏡材(cai)料中引入上轉換(huan)材(cai)料。但是，無機納米(mi)顆(ke)粒(li)在(zai)高(gao)分(fen)子聚合(he)物中會導(dao)致其光(guang)學透(tou)明(ming)度顯著下降，使得難以獲得高(gao)顆(ke)粒(li)含(han)量和高(gao)透(tou)明(ming)度的近(jin)紅外(wai)上轉換(huan)隱形(xing)眼鏡（Upconversion Contact Lenses，UCLs）。因(yin)此，解決高(gao)效上轉換能力（高(gao)濃(nong)度上轉換納(na)米顆粒(li)摻雜）和良好(hao)光學(xue)性能（高(gao)透(tou)明(ming)度）是開(kai)發新型柔性透(tou)明(ming)隱形眼鏡的前提。

為此，工程科(ke)學(xue)學(xue)院龔(gong)興龍/王(wang)勝(sheng)團隊通(tong)過對現(xian)有(you)多種高分子材料進行物理(li)/化學分析，篩選適用于人體(ti)可穿戴的軟材(cai)料，對上(shang)述材(cai)料進行必要的化學改(gai)性(xing)并(bing)進一步表征(zheng)其剪切模量、拉(la)伸強度和加-卸載穩定(ding)性等力(li)學(xue)性能(neng)，建立起(qi)了柔性材(cai)料(liao)力(li)學(xue)-組(zu)份(fen)耦合(he)關系(xi)。在此基礎(chu)上(shang)，合(he)成(cheng)出了具有不同光學(xue)性能(neng)的上(shang)轉換納(na)米(mi)顆粒（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）并(bing)進行表(biao)面剝離(li)改性(xing)，實現了其表(biao)面親-疏水(shui)性(xing)能定向調控從而提高(gao)了(le)其分散性(xing)。光(guang)(guang)學(xue)實驗(yan)結果表明(ming)開發出(chu)的上轉(zhuan)換(huan)顆(ke)粒和(he)高(gao)分子(zi)材料(liao)具有極(ji)高(gao)的光(guang)(guang)折(zhe)射率(lv)匹配(pei)性(xing)，因此合成出(chu)了(le)高(gao)摻(chan)雜含量（7-9%）的近紅(hong)外光上轉換隱形眼鏡，其(qi)在大多數(shu)可見光波譜范(fan)圍(wei)內表現出90%以上的透明度。這(zhe)比國際上已(yi)報道的0.04-2% UCNPs摻雜(za)量具有(you)顯著(zhu)性(xing)(xing)能(neng)提升。此(ci)(ci)外(wai)(wai)，該團隊也測試了這(zhe)種(zhong)近紅外(wai)(wai)光(guang)上轉換隱形眼(yan)(yan)鏡的親水性(xing)(xing)和生物(wu)相容性(xing)(xing)等，這(zhe)些性(xing)(xing)能(neng)能(neng)夠達到現有(you)商業隱形眼(yan)(yan)鏡的標準，因此(ci)(ci)符合(he)人體(ti)穿戴。高轉換顆粒(li)含(han)量和良好(hao)的光(guang)轉換效率(lv)也為(wei)隱形眼(yan)(yan)鏡實現近紅外(wai)(wai)光(guang)-可見(jian)光轉換和人眼可視提(ti)供了可能(neng)性。因此這(zhe)些工作生物(wu)臨床實驗及(ji)其后續工程應(ying)用(yong)奠(dian)定了重要基(ji)礎。

上轉(zhuan)換隱形眼鏡的力(li)-光耦合(he)性能(neng)及生物相容(rong)性表征結果

 研究(jiu)人(ren)員進一步發(fa)現佩戴UCLs的(de)小鼠(shu)不僅獲得感(gan)知近紅(hong)外(wai)光(guang)的(de)能(neng)力，還(huan)可(ke)以分辨(bian)不同時間頻率和不同方位的(de)近紅(hong)外(wai)光(guang)信息。更(geng)重要的(de)是，佩戴UCLs的人類志愿者(zhe)不(bu)僅可以看到(dao)一定光強范圍的近紅外光，還(huan)可以準(zhun)確識別(bie)近紅外光的時間編碼(ma)信息。

 最后，為了(le)感知在(zai)自(zi)然環境中廣泛存在(zai)的多光譜紅外光，合作團隊使用三(san)色正交(jiao)UCNPs（trichromatic UCNPs）取(qu)代了傳統的UCNPs，可以將(jiang)三種(zhong)不同(tong)光(guang)(guang)譜的(de)近紅外光(guang)(guang)轉換(huan)成(cheng)紅、綠、藍三基(ji)色(se)的(de)可見光(guang)(guang)，同(tong)時避(bi)免了發射光(guang)(guang)譜波(bo)段(duan)的(de)干擾(rao)問題。通過佩戴三色(se)上轉換(huan)隱形眼鏡（trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs），志(zhi)愿者(zhe)可(ke)以(yi)(yi)有效地(di)識別三種波長(chang)的(de)近紅外(wai)光(guang)，感知多種近紅外(wai)色彩。此(ci)外(wai)，通過色彩、時間、空間信息的(de)結合(he)，志(zhi)愿者(zhe)可(ke)以(yi)(yi)準確(que)識別出更豐富的(de)近紅外(wai)光(guang)編碼(ma)的(de)多維(wei)度信息。這(zhe)表(biao)明具(ju)有抗干(gan)擾、正交和多光(guang)譜轉換特性的(de)tUCLs可以有效地實現(xian)人類近紅外色(se)彩圖(tu)像視覺。

上(shang)轉換(huan)隱形眼(yan)鏡實現人類近紅外時空色彩視覺

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