基于光子晶體的結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡的構(gòu)建及應(yīng)用

王小美,王 昭，郝凌云，張小娟，劉 楚

(1.金陵科技學(xué)院材料工程學(xué)院，南京 211169； 2.視光材料與技術(shù)南京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211169)

0 引 言

在人類(lèi)歷史發(fā)展進(jìn)程中，顏色一直扮演著重要的角色，為識(shí)別、預(yù)警、防偽和交流等提供了重要手段。目前，常見(jiàn)的色彩產(chǎn)生機(jī)理包含對(duì)光的吸收(色素色)、反射(結(jié)構(gòu)色)和發(fā)射(發(fā)光色)[1]。其中，研究者通過(guò)在電介質(zhì)中構(gòu)筑周期性結(jié)構(gòu)，獲得光學(xué)禁帶，當(dāng)光子能量落入光學(xué)禁帶中將無(wú)法在特定方向傳播。這種具有光學(xué)禁帶的材料通常被稱(chēng)為光子晶體(photonic crystal, PC)[2]。光子晶體因其獨(dú)特的對(duì)光波傳播方式的調(diào)控能力，被廣泛應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換、光學(xué)器件、傳感、顯示和防偽領(lǐng)域，顯示出巨大的應(yīng)用潛力[3]。

隱形眼鏡又稱(chēng)為角膜接觸鏡(contact lens, CL)，其作為視力矯正鏡片，已在全世界數(shù)千萬(wàn)患者中廣泛使用。彩色隱形眼鏡因具有美容的效果，深受年輕人的喜愛(ài)。然而，傳統(tǒng)的隱形眼鏡直接印刷色素或激光著色，引入不穩(wěn)定和易剝離的化學(xué)色素層，長(zhǎng)期佩戴易引起角膜感染、潰瘍和其他并發(fā)癥，因此，亟需開(kāi)發(fā)更好的替代產(chǎn)品。自然界中蝴蝶的翅膀和甲殼蟲(chóng)的外殼等是常見(jiàn)的光子晶體結(jié)構(gòu)，它們絢爛的色彩啟示科研人員在隱形眼鏡中構(gòu)筑特定的微細(xì)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色眼鏡的需求，以規(guī)避上述傳統(tǒng)彩色隱形眼鏡存在的風(fēng)險(xiǎn)。另外，床旁診斷(point-of-care, POC)在為眼病患者提供精確、個(gè)性化的治療方面具有重要意義。隱形眼鏡作為一種流行于眼部的可穿戴設(shè)備，為整合生物傳感器用于眼病的POC診斷提供了合適的平臺(tái)[4-7]，但現(xiàn)有的隱形眼鏡傳感器通常涉及較多的電子器件和電路，制造復(fù)雜，且信號(hào)讀出需要額外的儀器[8-9]。隨著研究的進(jìn)行，將基于光子晶體的結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡應(yīng)用于葡萄糖監(jiān)測(cè)、眼壓監(jiān)測(cè)及釋藥監(jiān)測(cè)等方面有更廣闊的發(fā)展空間，近年來(lái)吸引了大量科研人員的關(guān)注[10-11]。

1 光子晶體

1987年，Yablonovitch[12]和John[13]分別提出了光子晶體的概念。光子晶體是一種具有不同介電常數(shù)在空間上呈周期性排列結(jié)構(gòu)的材料，在適當(dāng)條件下，這種結(jié)構(gòu)對(duì)穿過(guò)其中的光波可以進(jìn)行選擇性的折射、反射和透射，從而對(duì)光的傳播進(jìn)行調(diào)制，使得一定頻率的電磁波不能通過(guò)，這個(gè)特性稱(chēng)為光子帶隙(photonics band gap, PBG)或者光子禁帶，因此，光子晶體又稱(chēng)為光子帶隙材料。當(dāng)光子帶隙的范圍恰好在可見(jiàn)光區(qū)域時(shí)，光子晶體呈現(xiàn)出的顏色稱(chēng)為光子晶體的結(jié)構(gòu)色(structural color)。光子晶體根據(jù)其折光指數(shù)在空間中的排列方式可以分為一維(1D)、二維(2D)和三維(3D)光子晶體。一維光子晶體由具有不同折光指數(shù)的多層材料堆積而成，只會(huì)在一個(gè)方向上產(chǎn)生光子帶隙，一般應(yīng)用在傳感器或者光纖器件上；二維光子晶體一般由納米微粒排列成單層薄膜，對(duì)兩個(gè)維度上的光起調(diào)控作用，將對(duì)光的調(diào)控限制在一個(gè)平面上；三維光子晶體可以在各個(gè)方向上產(chǎn)生完全的禁帶，典型的是蛋白石結(jié)構(gòu)和反蛋白結(jié)構(gòu)，也是制造光子晶體傳感器時(shí)應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)[14]。按照其微粒排布結(jié)構(gòu)，光子晶體可以分為緊密排布光子晶體和非緊密排布光子晶體。蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體就是最典型的緊密排布光子晶體，微粒之間緊密堆積沒(méi)有距離；而非緊密排布光子晶體一般是微粒在靜電作用下形成穩(wěn)定分散的懸浮液或者包埋在水凝膠中。水凝膠由于具有良好的黏彈性，易于膨脹和收縮，當(dāng)把光子晶體均勻分散在水凝膠中，可以利用其體積的變化引起晶格間距的改變，從而達(dá)到變色的目的[15]。并且，通過(guò)膠體粒子自組裝的“自下而上法”制備三維膠體光子晶體，具有低成本、可規(guī)模化、高可調(diào)性、易于功能化修飾等優(yōu)點(diǎn)，因此近二十年來(lái)作為結(jié)構(gòu)色顏料、生物化學(xué)傳感器、信息顯示器、防偽標(biāo)簽等得到廣泛應(yīng)用[16]。

2 結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡的制備及應(yīng)用

2.1 隱形眼鏡概述

隱形眼鏡又稱(chēng)角膜接觸鏡，通常可以直接佩戴在人類(lèi)的眼球上以矯正視力。隨著近代科學(xué)的發(fā)展，鏡片的制造工藝被不斷改善，并被賦予了新的用途，如用于美容或眼部疾病治療。隱形眼鏡材料的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段，從最早期的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)類(lèi)不透氣性硬性透鏡材料到透氣性硬接觸透鏡材料(RGP)，到以硅氧為主鏈交聯(lián)聚合而成的非親水性軟鏡材料，再到親水性軟鏡材料[7]。親水軟性材料主要為水凝膠，其含水量，舒適度、透光率、潤(rùn)濕性及生物相容性等都較好，比硬性鏡片能更快適應(yīng)用戶(hù)眼睛形狀，在矯正視力的同時(shí)，能更好地滿(mǎn)足人們對(duì)“自然視覺(jué)”的要求，因此成為目前最廣泛使用的隱形眼鏡材料，又以聚甲基丙烯酸羥乙酯(pHEMA)基水凝膠和有機(jī)硅水凝膠為代表[17]。pHEMA水凝膠具有良好的生物相容性、優(yōu)良的透光率、柔軟及高彈性、可高溫消毒和加工方便等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但是，單純pHEMA水凝膠含水量不高、透氧性不足。有機(jī)硅水凝膠的新型傳輸機(jī)制導(dǎo)致其擁有比傳統(tǒng)水凝膠更高的氧氣傳輸率，因此，基于有機(jī)硅水凝膠制備的隱形眼鏡因化學(xué)惰性、無(wú)毒性、較高的氧滲透性和良好的機(jī)械性能也得到一定應(yīng)用。但是，目前商用隱形眼鏡難以同時(shí)滿(mǎn)足高親水性、高透氧性和良好機(jī)械性能之間的平衡，以及長(zhǎng)期佩戴帶來(lái)的蛋白沉積、細(xì)菌粘附等問(wèn)題[18-19]。因此，仍需進(jìn)一步探索具有最優(yōu)綜合性能的隱形眼鏡材料。

2.2 結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡

彩色隱形眼鏡俗稱(chēng)“美瞳”，可以同時(shí)起到矯正視力和美容的作用，深受年輕人的喜愛(ài)。但是，傳統(tǒng)彩色隱形眼鏡通過(guò)外加化學(xué)色素實(shí)現(xiàn)彩色效果，且色素分子會(huì)堵住鏡片的部分透氣孔，阻擋眼睛與空氣中氧氣和水分的交換，從而降低鏡片的透氧透氣性，長(zhǎng)期佩戴可能引起角膜炎、角膜潰瘍，甚至角膜穿孔等疾病。Lowe等[20]率先利用全息激光技術(shù)制作了具有有序微觀(guān)結(jié)構(gòu)的彩色隱形眼鏡，但該技術(shù)具有在晶狀體中殘留銀納米顆粒的風(fēng)險(xiǎn)，且需要高成本的精密光學(xué)設(shè)備。因此，近年來(lái)科研工作者開(kāi)始探索“自下而上”的策略，通過(guò)膠體納米顆粒的自組裝來(lái)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡。

顧忠澤等在結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡的構(gòu)筑方面做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作。報(bào)道了一種通過(guò)在隱形眼鏡模具中利用“咖啡環(huán)效應(yīng)(coffee-ring)”復(fù)制自組裝膠體晶體模板來(lái)制備環(huán)形結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡的方法[21]，示意圖如圖1所示。在靜置條件下，通過(guò)控制硅球懸浮液濃度及溶劑蒸發(fā)過(guò)程，借助毛細(xì)力，使硅球納米粒子在接觸線(xiàn)邊緣不斷聚集，最終形成環(huán)狀膠體光子晶體模板，再將聚合反應(yīng)原料填充到光子晶體空隙中，聚合制備得到水凝膠后，通過(guò)氫氟酸(HF)去除硅球，即可得到具有周期性孔隙排列結(jié)構(gòu)的有色隱形眼鏡。鏡片顏色具有隨角變色特性，且可以通過(guò)改變硅球的粒徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，膠體晶體模板的制備和去除過(guò)程比較復(fù)雜，且需要嚴(yán)格控制條件以獲取高質(zhì)量的模板，若能以膠體光子晶體涂料的形式在模具中直接構(gòu)筑結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡，則具有更加重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于此，該課題組隨后采用無(wú)皂乳液聚合法合成了聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸羥乙酯)(PMH)納米顆粒。根據(jù)“相似相容”原理，該聚合物納米顆粒能夠均勻分散在HEMA單體中顯示出彩虹色。將該涂料注入隱形眼鏡模具中進(jìn)行紫外聚合后，便得到色澤鮮艷、機(jī)械強(qiáng)度高且生物相容性好的結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡(見(jiàn)圖2)[22]，有望替代傳統(tǒng)的顏料型隱形眼鏡得到商業(yè)化應(yīng)用。

圖1 (a)～(c)環(huán)形膠體光子晶體模板制作示意圖；(d)、(e)環(huán)形膠體光子晶體在模具中組裝的照片；(f)未經(jīng)HF清洗的 膠體光子晶體模板；(g) HF清洗后的膠體光子晶體模板[21]Fig.1 (a)～(c) Annular colloidal crystal template making schematic diagram; (d), (e) photos of annular colloidal photonic crystals assembled in the mold; (f) colloidal photonic crystal templates not cleaned by HF; (g) HF-cleaned colloidal photonic crystal template[21]

圖2 結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡制備示意圖(a)～(c)及三種不同顏色隱形眼鏡的反射(d)和(e)透射光譜[22]Fig.2 Schematic diagram of preparation of structured color contact lenses (a)～(c) and reflection (d), (e) transmission spectra of three different color contact lenses[22]

2.3 結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡作為傳感器的應(yīng)用

2.3.1 在葡萄糖監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

目前，糖尿病通常采用指尖針刺采血或使用皮下植入式血檢計(jì)進(jìn)行血糖監(jiān)測(cè)，會(huì)給患者帶來(lái)一定的痛苦和不便，且電化學(xué)反應(yīng)不穩(wěn)定導(dǎo)致靈敏度較低，因此迫切需要發(fā)展無(wú)創(chuàng)和高靈敏度的血糖監(jiān)測(cè)方式[23-24]。人體淚液葡萄糖濃度與血液葡萄糖濃度呈正相關(guān)，將微型傳感監(jiān)測(cè)儀器整合到日常佩戴的隱形眼鏡中，具有無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)淚液中葡萄糖的前景[25-27]。

受Asher前期工作啟發(fā)[28-29]，2017年，Ruan等[30]在4-硼苯甲醛(4-BBA)修飾的聚乙烯醇(PVA)水凝膠中嵌入三維聚苯乙烯(PS)膠體晶體陣列(3D CCAs)，并將其附著在PMMA硬性透氣性隱形眼鏡上(見(jiàn)圖3)，4-BBA與葡萄糖的結(jié)合可逆性地改變了水凝膠基質(zhì)的體積，引起布拉格衍射及光子晶體顏色的改變，由此來(lái)監(jiān)測(cè)淚液中葡萄糖濃度的變化。該傳感裝置提高了葡萄糖檢測(cè)的靈敏度及選擇性，但由于水凝膠的體積變化受到PMMA硬性透鏡的限制，傳感能力有限。3D膠體晶體陣列的不足之處在于難以獲得有序的陣列、選擇性較差和煩瑣的自組裝程序，近年來(lái)，單層膠體晶體材料(2D PC)因其制備簡(jiǎn)單、快速而受到更廣泛關(guān)注。隨后，該課題組將基于PS的2D PC包埋到4-BBA功能化的PVA水凝膠中，構(gòu)建了一種新型的水凝膠單層膠體晶體(GMCC)傳感器，用于淚液葡萄糖的半定量檢測(cè)。當(dāng)葡萄糖濃度在0～20 mmol范圍內(nèi)變化時(shí)，該傳感器可以有效地衍射可見(jiàn)光，其結(jié)構(gòu)色從紅色到黃色及綠色的變化可以在180 s內(nèi)被快速區(qū)分。此外，2D PC晶格常數(shù)的變化還可以通過(guò)德拜環(huán)的尺寸進(jìn)行確定[31]。

采用2D PC的策略，雖然有效優(yōu)化了制備流程及監(jiān)測(cè)靈敏度，但獲取目視定量讀數(shù)仍是實(shí)際應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。最近，Elsherif等[32]成功開(kāi)發(fā)了一種采用智能手機(jī)進(jìn)行連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)的可穿戴隱形眼鏡生物傳感器。該體系基于一維全息聚合物晶體膠體陣列(1D PC)，在苯基硼酸功能化的葡萄糖選擇性水凝膠膜上打印出具有1.6 μm周期性結(jié)構(gòu)的光子晶體，并將其與商業(yè)鏡片集成(見(jiàn)圖4)。當(dāng)與葡萄糖結(jié)合后，凝膠微觀(guān)體積膨脹，周期性常數(shù)改變，由此在0～50 mm內(nèi)建立周期性常數(shù)與葡萄糖濃度的相關(guān)性。該傳感器具有響應(yīng)時(shí)間快(3 s)、飽和時(shí)間短(4 min)等優(yōu)點(diǎn)，且可以使用智能手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)，在床旁連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備和家庭環(huán)境診斷中有更多潛在的應(yīng)用。

圖3 基于4-BBA-PVA凝膠膠體晶體陣列(GCCA)隱形眼鏡的制備策略[30]Fig.3 Preparation strategy of contact lenses based on 4-BBA-PVA gel colloidal crystal array (GCCA)[30]

圖4 (a)一維光子結(jié)構(gòu)傳感器的傳感原理;(b)放置在眼睛模型上的隱形眼鏡傳感器照片[32]Fig.4 (a) Sensing principle of the one-dimensional photonic structure sensor; (b) a photo of a contact lens sensor placed on an eye model[32]

2.3.2 在眼壓監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

青光眼是世界首位不可逆性致盲眼病，一般是由眼內(nèi)壓(intraocular pressure, IOP)間斷或持續(xù)升高而導(dǎo)致視神經(jīng)損傷的一種眼病[33]。隨著電子設(shè)備的普及，年輕患者越來(lái)越多，但由于大多數(shù)慢性患者臨床主要癥狀難以識(shí)別，診斷時(shí)視神經(jīng)已經(jīng)發(fā)生了不可逆的損害，喪失了寶貴的治療時(shí)間，由此對(duì)家庭和社會(huì)帶來(lái)了很大損失。研究顯示，IOP是青光眼診斷的關(guān)鍵體征，與診室間斷測(cè)量相比，長(zhǎng)期連續(xù)進(jìn)行眼壓監(jiān)測(cè)對(duì)青光眼患者的診斷率提高50%以上[34]。因此，很有必要開(kāi)發(fā)生物相容性好且易于穿戴的無(wú)創(chuàng)微型傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)IOP，以達(dá)到及時(shí)干預(yù)和有效治療的目的[35-36]。

圖5 通過(guò)智能手機(jī)捕捉圖像和量化智能隱形 眼鏡的顏色變化[27]Fig.5 Capture the image and quantify the color change of the smart contact lens by a smartphone[27]

最近，Du等[37]和Park等[38]均成功開(kāi)發(fā)了基于光子晶體復(fù)合水凝膠材料的智能隱形眼鏡傳感器，利用其表觀(guān)顏色變化連續(xù)和定量測(cè)量眼壓，而無(wú)需任何外部電源和復(fù)雜的測(cè)量設(shè)備。其中，Park等[38]采用微液壓放大機(jī)制，增強(qiáng)了嵌入光子晶體柔性膜的顏色變化范圍及壓力傳感靈敏度。人工硅膠眼模型和豬眼球體外評(píng)價(jià)試驗(yàn)顯示，其檢測(cè)限分別為3.2 mmHg和5.12 mmHg，并且可以物聯(lián)于智能手機(jī)相機(jī)和一個(gè)顯示RGB值的簡(jiǎn)單應(yīng)用程序(見(jiàn)圖5)。該傳感器可以連續(xù)無(wú)創(chuàng)地檢測(cè)IOP變化，無(wú)需昂貴的光學(xué)光譜儀，且大大提高了監(jiān)測(cè)效率。

2.3.3 在釋藥監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

滴眼制劑是最常使用的眼科疾病給藥方式，但其生物利用度僅有3%～5%。研究表明，采用隱形眼鏡可將其生物利用度提高到50%，有效降低使用劑量、給藥頻率及延緩藥物釋放時(shí)間，從而降低毒副作用[39-43]。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，藥物釋放的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分重要，但是，覆蓋在人眼表面的淚膜不斷更新且很難收集，對(duì)藥物釋放及眼內(nèi)濃度的實(shí)施監(jiān)測(cè)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，利用光子晶體隱形眼鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物濃度監(jiān)測(cè)的研究非常有限。

近些年，顧忠澤和謝卓穎團(tuán)隊(duì)在結(jié)構(gòu)色光子晶體的制備方面取得一系列成果[21-22,44-46]，報(bào)道了具有高度有序和互連的大孔反蛋白石結(jié)構(gòu)的有色隱形眼鏡，避免了工業(yè)染料潛在的風(fēng)險(xiǎn)[44]。該團(tuán)隊(duì)在前述基于硅球光子晶體有色隱形眼鏡的基礎(chǔ)上[21]，利用分子印跡技術(shù)，在水凝膠制備過(guò)程中引入功能單體甲基丙烯酸(MAA)及藥物噻嗎洛爾。結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡制備完成后，去除藥物模板分子，得到的分子印跡有色隱形眼鏡對(duì)噻嗎洛爾具有選擇性識(shí)別作用，且藥物分子的結(jié)合和解離會(huì)引起水凝膠基質(zhì)的體積和折射率等特性的響應(yīng)，通過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可讀的光信號(hào)位移，如圖6所示[47]。該策略不僅優(yōu)化了隱形眼鏡的載藥和釋藥性能，同時(shí)可以通過(guò)顏色變化監(jiān)測(cè)藥物濃度。但此類(lèi)藥物負(fù)載方法也存在一些不足，例如水凝膠的大孔徑和高含水量特性會(huì)引起藥物的早期泄漏，將藥物負(fù)載到隱形眼鏡的過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)光或熱固化聚合反應(yīng)，對(duì)最終負(fù)載的藥物濃度有較大影響，甚至可能加速藥物降解，因此其實(shí)際使用性能仍有待考量。

綜上，水凝膠由于其良好的柔韌性和易于修飾等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是傳感領(lǐng)域最有前途的刺激響應(yīng)材料。當(dāng)眼部環(huán)境(溫度、壓力、pH值、離子、藥物濃度等)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起水凝膠明顯的體積變化，從而誘導(dǎo)光子晶體晶格常數(shù)和光信號(hào)的改變[28]。目前，測(cè)定光信號(hào)變化最常用的方法是分光光度法，通過(guò)監(jiān)測(cè)反射峰波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化，記錄對(duì)外界刺激的響應(yīng)。另外，近年來(lái)還報(bào)道了2D膠體PC專(zhuān)用的德拜環(huán)檢測(cè)方法。裸眼觀(guān)測(cè)由于不需要昂貴的儀器和易于操作，具有顯著的潛力，如Lu等[10]通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)建立校準(zhǔn)卡，采用直接讀數(shù)的方法檢測(cè)2,4,6-三硝基甲苯(TNT)的濃度，為T(mén)NT提供了一種簡(jiǎn)單的半定量測(cè)定方法。目前發(fā)展的大部分結(jié)構(gòu)色材料存在色彩隨觀(guān)察角度改變的特性，因此，在檢測(cè)時(shí)需嚴(yán)格控制觀(guān)測(cè)角度以消除實(shí)驗(yàn)誤差。但是，佩戴在眼睛上的隱形眼鏡會(huì)隨眼球轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，如何消除測(cè)量角度引起的差異是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。近些年研究發(fā)現(xiàn)，具有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的晶體膠體陣列(PCSs)表現(xiàn)出明亮的結(jié)構(gòu)顏色，且顏色隨入射光或視角的變化而變化；相反，具有短程有序結(jié)構(gòu)的晶體膠體陣列(PASs)表現(xiàn)出與角度無(wú)關(guān)的色彩[44,48]。也就是說(shuō)，通過(guò)調(diào)節(jié)膠體顆粒的有序程度可以控制結(jié)構(gòu)色的隨角變色特性，為作為傳感的隱形眼鏡提供了新的參考策略。

2.4 結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡用于紫外防護(hù)

眾所周知，光子晶體應(yīng)用的基本原理就是通過(guò)其微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化來(lái)改變光源路線(xiàn)以達(dá)到變色的目的，由此打開(kāi)了科研工作者的另一個(gè)窗口：是否可以通過(guò)調(diào)整其結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)達(dá)到阻擋甚至阻斷某些特定波長(zhǎng)范圍入射光源的目的？大量視光學(xué)和眼科學(xué)研究表明，紫外線(xiàn)波段A(UVA)和波段B(UVB)是白內(nèi)障、老年性黃斑變性、角膜炎等眼部疾病的病因之一[49]。但目前國(guó)內(nèi)市售的高效能抗紫外隱形眼鏡產(chǎn)品較少。因此，具有防紫外特性且舒適美觀(guān)的隱形眼鏡具有很大的市場(chǎng)潛力。

杜學(xué)敏于2017年申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利中提出了一種結(jié)構(gòu)色太陽(yáng)隱形眼鏡的制備方法[50]。在隱形眼鏡的瞳孔區(qū)同時(shí)設(shè)計(jì)有光子晶體結(jié)構(gòu)和變色材料。利用光子晶體對(duì)部分光線(xiàn)(如紫外或紅外)的濾過(guò)作用，起到眼睛防護(hù)和保健作用；同時(shí)，利用變色材料在較強(qiáng)太陽(yáng)光下發(fā)生的相轉(zhuǎn)變(如折射率或分子構(gòu)象)來(lái)改變光子晶體的折射率或晶格，進(jìn)而帶來(lái)光子晶體顏色的變化，以降低特定波長(zhǎng)光線(xiàn)的透過(guò)率，最終實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)隱形眼鏡對(duì)眼睛的有效保護(hù)。隨后，Lai等[51]開(kāi)發(fā)出一種利用二氧化硅無(wú)定形陣列納米結(jié)構(gòu)制備的具有抗紫外線(xiàn)和藍(lán)光性能的隱形眼鏡。鏡片的關(guān)鍵指標(biāo)滿(mǎn)足日拋型隱形眼鏡要求，且顯示出的淡藍(lán)色結(jié)構(gòu)色可以避免使用商用彩色隱形眼鏡中添加的化學(xué)染料。但該方法受限于對(duì)微結(jié)構(gòu)的精確控制，且制備過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)。

最近，Shen等[52]合成了具有不同尺寸的單分散PS@PMMA@P(HEMA-co-EA)核殼結(jié)構(gòu)微球，通過(guò)隱形眼鏡凹凸模具對(duì)HEMA/核殼微球混合物施加振蕩剪切，制備了具有準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的隱形眼鏡(見(jiàn)圖7)。由于粒子按照準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)堆疊時(shí)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光波段高透光率和紫外波段的贗吸收。因此，制備的隱形眼鏡不僅能在可見(jiàn)光下表現(xiàn)出鮮亮的顏色和高透射率，而且能更為完美地阻擋有害的短波紫外光，并同時(shí)具有良好的細(xì)胞相容性，滿(mǎn)足日常配戴的光學(xué)要求，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

基于光子晶體的結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡不僅在光照下呈現(xiàn)絢麗的色彩，而且無(wú)色素添加，避免了傳統(tǒng)彩色隱形眼鏡帶來(lái)的危害。由于眼部葡萄糖、水分和壓力分別是糖尿病、干眼癥和青光眼診斷的關(guān)鍵體征，這種結(jié)構(gòu)色隱形眼鏡可以作為眼部傳感器，直接通過(guò)顏色變化指示關(guān)鍵指標(biāo)，為無(wú)創(chuàng)眼科健康監(jiān)測(cè)和疾病診斷帶來(lái)了新希望。

但是，本領(lǐng)域研究剛剛起步，研究工作較為零散且不夠系統(tǒng)深入。仍存在以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：(1)基于結(jié)構(gòu)色變化的光學(xué)探測(cè)，易受環(huán)境因素影響產(chǎn)生誤差，且結(jié)構(gòu)色的隨角變色特性給實(shí)際定量帶來(lái)一定困難，作為傳感器的精度和重復(fù)性仍不甚理想；(2)雖然已有與智能設(shè)備(如智能手機(jī)和可穿戴傳感器)耦合獲取定量讀數(shù)的工作報(bào)道，但如何獲得便捷的目視定量讀數(shù)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)；(3)對(duì)隱形眼鏡的關(guān)鍵性能指標(biāo)(含水量、透光性、透氣透氧性、機(jī)械性能等)關(guān)注較少。例如，蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的引入會(huì)影響隱形眼鏡的含水量、透氧性等，采用模板刻蝕法制備的反蛋白石結(jié)構(gòu)的水凝膠材料力學(xué)性能較差，很難滿(mǎn)足隱形眼鏡多次長(zhǎng)期佩戴的實(shí)際應(yīng)用需求；(4)光子晶體的制備大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室制備階段，批量化生產(chǎn)技術(shù)不成熟，需要發(fā)展新型的工業(yè)化組裝技術(shù)(如類(lèi)似印刷、書(shū)寫(xiě)等)，提高操作的便捷性和可重復(fù)性。因此，該領(lǐng)域能否獲得商業(yè)化應(yīng)用仍有待考量，需要對(duì)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加深入和優(yōu)化的設(shè)計(jì)，同時(shí)發(fā)展高效便捷的工業(yè)化生產(chǎn)途徑。鑒于人類(lèi)對(duì)生命健康日趨增高的需求及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以相信，隨著合成化學(xué)、生物傳感、微電子和納米技術(shù)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展和融合，該領(lǐng)域會(huì)展現(xiàn)出優(yōu)異的市場(chǎng)前景。