基于上转换隐形眼镜实现近红外时空彩色视觉

摘要

人眼由于光子检测视蛋白的物理热力学特性，无法感知红外光。然而，用肉眼检测不可见的多光谱红外光的能力是非常理想的。在此，我们报告了一种可穿戴的近红外 (NIR) 上转换隐形眼镜 (UCL)，它具有合适的光学特性、亲水性、柔韧性和生物相容性。佩戴UCL的小鼠可以识别近红外时空信息并做出行为决策。此外，佩戴UCL的人类参与者可以区分近红外信息，包括时间编码和空间图像。值得注意的是，我们开发了三色 UCL (tUCL)，使人类能够区分近红外光的多个光谱，这些光谱可以作为三原色发挥作用，从而实现人类近红外时空彩色视觉。我们的研究开启了可穿戴高分子材料在非侵入式近红外视觉领域的潜力，帮助人类感知和传输近红外光的时间、空间和颜色维度信息。

主要内容

总结

由于光子检测视蛋白的物理热力学特性，人类无法感知红外光。然而，用肉眼检测不可见的多光谱红外光的能力是非常理想的。在此，我们报告了可穿戴的近红外 (NIR) 上转换隐形眼镜 (UCL)，它具有合适的光学特性、亲水性、柔韧性和生物相容性。佩戴UCL的小鼠可以识别近红外时空信息并做出行为决策。此外，人类参与者佩戴UCLs可以区分近红外信息，包括时间编码和空间图像。值得注意的是，我们开发了三色 UCL (tUCL)，使人类能够区分近红外光的多个光谱，这些光谱可以作为三原色发挥作用，从而实现人类近红外时空彩色视觉。我们的研究开启了可穿戴高分子材料在非侵入式近红外视觉领域的潜力，帮助人类感知和传输近红外光的时间、空间和颜色维度信息。

图形摘要

Graphical abstract undfig1

关键词

  1. near-infrared light
  2. color vision
  3. upconversion nanoparticle
  4. nanocomposites
  5. contact lenses
  6. spectrum
  7. visual behavior

介绍

光在传递大量外部信息方面起着至关重要的作用，使生物体能够理解世界。1

然而，哺乳动物只能将一小部分电磁波谱感知为可见光，通常在 400-700 纳米范围内。3，4 这意味着超过一半的太阳辐射能量，以红外光（>700 纳米）的形式存在，5 仍然是哺乳动物无法感知的。光谱感知的限制是由于光子检测视蛋白的物理热力学特性。6，7，8，9 结果是，这导致了大量可能可用的感觉信息损失。尽管诸如夜视镜或红外-可见光转换器等工具已被用于红外检测，但它们需要额外的能量支持，并且通常无法区分跨多个光谱的红外信息。此外，每个红外-可见光转换器都需要一个多层结构，这使得它们不透明且难以与人眼集成。10，11，12，13

我们之前通过将光感受器结合上转换纳米颗粒 (pbUCNPs) 视网膜下注射到眼睛中，实现了小鼠的近红外 (NIR) 视觉能力。14 然而，由于手术的侵入性，人眼 pbUCNPs 的眼部注射可能不容易被人类接受。15，16 因此，开发具有裸眼检测多光谱NIR光能力的非侵入性NIR视觉能力对于人类来说仍然至关重要且令人期望。

在此，我们设计了用于人类的 NIR 视觉系统，方法是将上转换纳米颗粒 (UCNPs) 集成到柔软、非侵入性和可穿戴的高分子材料中。我们修改了 UCNPs 并根据折射率匹配筛选了高分子材料，并获得了具有合适光学特性、亲水性、柔韧性和生物相容性的近红外光上转换隐形眼镜 (UCL)。有了这些 UCL，小鼠可以感知从 NIR 光转换而来的可见光，并区分 NIR 光的时间和空间信息。同时，佩戴UCL的人类可以准确识别诸如莫尔斯电码等近红外时间信息，并区分NIR图案图像。有趣的是，由于NIR光的穿透能力，佩戴UCL的小鼠和人类在闭眼时，相比于可见光，对NIR光的识别能力更好。

除了时间和空间信息外，视觉感知还可以在颜色维度上传递丰富的信息。可见光中的颜色信息与其特定波长密切相关。17 与可见光相比，红外光跨越更宽的波长范围。18 为了区分NIR光的多个光谱，我们用三色正交UCNPs代替了传统的UCNPs，这些UCNPs可以将三个不同光谱带中的NIR光转换为三个原色中的可见光。19，20 通过这些三色UCL (tUCL)，我们实现了人类的NIR彩色视觉，它可以编码更丰富的NIR信息，特别是集中在 800–1,600 nm 范围内。该范围内的NIR光可有效穿透富含水的生物组织，如眼睑和角膜，21，22 从而增强NIR视觉和生物成像。总的来说，这项研究使人类能够在无需复杂外部设备的情况下实现非侵入性和多维NIR图像视觉。这项技术具有广泛的实际应用，包括红外信息编码和传输，在能见度差的条件下（例如，有雾或多尘的条件）增强视觉，以及集成到智能设备中以进行救援和紧急情况。

结果

具有合适光学和机械性能的 UCL

为了通过非侵入式、可穿戴的隐形眼镜实现人类的NIR视觉，我们需要开发适用于人眼的高分子纳米复合材料。这意味着所制备的隐形眼镜应具有合适的光学透明度、亲水性、机械性能和生物相容性。目前，柔软、透明的高分子材料已广泛应用于该领域。23，24 然而，将纳米颗粒融合到高分子材料中会改变高分子的光学特性，从而使得获得高浓度、光学透明的纳米复合材料具有挑战性。25，26，27 纳米复合材料的光学特性主要取决于纳米颗粒在高分子内部的光吸收和散射，这与纳米颗粒的尺寸、它们在高分子内部的分布以及它们的折射率匹配密切相关（图 S1A)。

为了通过将 UCNPs 融入高分子材料来制备 NIR UCL（图 1A），我们合成了直径约为 45 纳米的 Au/NaGdF4: Yb3+, Er3+ 纳米颗粒，28，29 其在高分子材料中表现出相对较低的光传输损耗（吸收和散射）。30 大多数用于隐形眼镜的高分子材料都是亲水的，这有助于使镜片与眼睛的角膜舒适贴合。然而，UCNPs 的表面通常存在疏水性的油酸残基。为了确保它们在高分子材料中均匀分散，我们从 Au/NaGdF4: Yb3+, Er3+ 纳米颗粒的表面消除了疏水性油酸残基。31（图 1B）。即使 UCNPs 具有合适的尺寸和亲水性，UCNPs 和高分子材料之间的折射率差异仍然会影响其复合材料的透明度。25 我们确定无油酸 UCNPs 的折射率为 1.4388（图 1C）。为了使高分子的折射率与之匹配，我们对多种高分子进行了筛选，32，33 包括硬性隐形眼镜材料聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)；软性隐形眼镜材料，聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和硅水凝胶；常用的隐形眼镜材料，聚（甲基丙烯酸 2-羟乙酯）（pHEMA）；以及其他高分子材料，如聚乙烯醇 (PVA) 和聚丙烯酸 (PAA)。在UCNPs质量浓度为3%时，UCNPs和高分子材料之间折射率差异显着的纳米复合材料往往表现出较低的透明度（图 1D, 1E, 和 S1C）。虽然亲水性 pHEMA 高分子 (pHEMA-1) 与无油酸 UCNPs 的折射率最相似，但 UCNPs 融合的 pHEMA-1 纳米复合材料的透明度超过 90%。为了实现高转换效率，我们比较了具有不同 UCNPs 质量分数的 UCNPs 融合的 pHEMA-1 UCL 的透明度。我们发现，在UCNP质量比为7%时，这些镜片仍然表现出合适的光学特性，在可见光中实现了超过85%的透明度，并且大多数波长超过90%（图 1F 和 1G）。这表明我们成功地平衡了 UCL 中 UCNPs 的浓度比及其光学特性。通过 Ashby 图分析，与各种已报道的 UCNP/高分子纳米复合材料相比，UCL 在颗粒掺杂比和光学性能方面代表了最高水平。19，34，35，36，37，38，39，40（图 S1D）。

同时，在 UCL 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像中，混合溶液中 UCNPs 的 Zeta 电位 (−16 ± 1.2 mV) 和流体动力学尺寸分布表明，UCNPs 融合良好、稳定且均匀地分散在 UCL 内部（图 1H、S1E 和 S1F）。这种融合过程没有改变 UCL 中 UCNPs 的激发和发射光谱，使得它们在 NIR 光激发下能够发出均匀的绿光（图 1I）。UCNPs 的添加也没有影响 UCL 的亲水性和含水量，与商用隐形眼镜相当（图 S1G 和 S1H）。使用剪切模量和剪切循环载荷对 UCL 进行的流变学测试结果表明，与商用隐形眼镜相比，它们显示出相似的柔韧性和可靠的抗疲劳性（图 S1I）。拉伸模量实验进一步证实了 UCL 具有合适的机械稳定性（图 S1J）。通过测量入射 980 纳米光的不同强度下通过 UCL 后的 980 纳米光吸收强度和可见光发射强度，可以定量转换 NIR 光到 UCL 的可见光（图 S1K）。总的来说，柔软 UCL 具有合适的机械性能和高效的上转换能力，适合人类佩戴和人眼NIR视觉。

UCL 的生物相容性

然后，我们评估了 UCL 的 体内 生物相容性和潜在的副作用。在短时间内单次佩戴 6 小时后，我们发现通过苏木精和伊红 (H&E) 染色，佩戴或不佩戴 UCL 的小鼠角膜和视网膜外核层中的细胞层数没有差异（图 1J 和 S2A）。在所有组的角膜上都观察到稀疏的细胞凋亡信号，这表明佩戴 UCL 并未增加角膜细胞凋亡的风险（图 1K）。小胶质细胞标志物 Iba1 的染色显示，所有组的视网膜中均未出现小胶质细胞聚集，这表明没有炎症反应（图 S2B）。对于长期毒性测试，小鼠连续 3、7 或 14 天佩戴 UCL（每天 6 小时）。我们发现，佩戴隐形眼镜 3、7 和 14 天没有引起角膜厚度、视网膜形态或视网膜炎症反应的任何变化。然而，连续佩戴商用隐形眼镜或 UCL 会导致佩戴 7 天和 14 天后角膜细胞凋亡略有增加（图 S2C 和 S2D）。这可能归因于佩戴隐形眼镜引起的机械摩擦。然而，UCL 并没有加剧这种影响。总而言之，这些结果表明 UCL 具有良好的生物相容性，对小鼠的角膜和视网膜没有可检测到的副作用。

小鼠佩戴 UCL 的 NIR 介导的光感

在确认 UCL 具有良好的生物相容性后，我们着手验证 NIR 光是否可以通过这些 UCL 有效地激活小鼠的视觉系统。我们对急性解剖的小鼠视网膜进行了 体外 吸管记录，该视网膜平放在 UCL 圆盘上（图 S3A）。只有在存在 UCL 圆盘的情况下，980 纳米光脉冲才会引起杆状细胞光电流，并且幅度和动态与由 535 纳米可见光激活的幅度和动态一致（图 S3B–S3D）。体内 视网膜电流图 (ERG) 记录显示，佩戴这些 UCL 对由可见光介导的 ERG 信号没有影响，这表明 UCL 的高透明度不会干扰正常视觉（图 2A 和 2B）。同时，佩戴 UCL 的小鼠中 NIR 光诱发的 ERG 信号表现出与可见光诱发的 ERG 信号相似的响应模式。然而，在没有 UCL 的小鼠中，NIR 光无法引起任何 ERG 信号。

然后，我们研究了在行为水平上，小鼠佩戴 UCL 的 NIR 介导的光感。通过眼睑缝合将 UCL 固定在运动小鼠的眼睛上。为了检测瞳孔光反射，我们在用 NIR 光照射佩戴 UCL 的眼睛的同时，监测了对侧眼睛的瞳孔大小（图 2C）。当小鼠佩戴 UCL 时，NIR 光会引起瞳孔收缩，而在没有 UCL 的小鼠中没有观察到任何反应（图 2C 和 2D）。除了潜意识的瞳孔光反射行为之外，我们还研究了佩戴 UCL 的小鼠是否能够有意识地感知 NIR 转换的可见光。在明暗箱实验中，佩戴 UCL 的小鼠表现出对暗箱的偏好高于 NIR 光箱，而没有 UCL 的小鼠则无法做到这一点（图 2E 和 2F）。在光诱导的恐惧条件反射实验中，NIR 光也可以在佩戴 UCL 的小鼠中诱导冻结行为，但在没有佩戴 UCL 的小鼠中则不会（图 2G 和 2H）。这些结果表明佩戴 UCL 的小鼠可以获得 NIR 介导的光感能力。

在上述 NIR 视觉行为测试中，尽管缝合了眼睑，但 NIR 光很容易在佩戴 UCL 的小鼠中诱导行为反应，而可见光却无法诱导显着反应（图 2F 和 2H）。对此的一种可能的解释是，NIR 光可以很容易地穿透眼睑。42，43 我们测量了小鼠眼睑对 535 纳米和 980 纳米光的透射率（图 2I）。结果表明，小鼠眼睑对 535 纳米光的透射率为 0.388%，而对 980 纳米光的透射率为 23.292%。这表明，即使闭上眼睛，NIR 光信息也可以隐秘地传输。

小鼠佩戴 UCL 的 NIR 光信息识别

除了 NIR 介导的光感应引起的先天行为外，我们还进一步研究了佩戴 UCL 的小鼠是否可以识别 NIR 光的空间和时间信息。当对侧眼睛被可见光或 NIR 光照射时，我们记录了小鼠初级视觉皮层中四个不同位置的视觉诱发电位 (VEP)（图 3A）。正如预期的那样，佩戴 UCL 不会影响可见光诱导的 VEP 信号。同时，我们可以在 NIR 光照射下，在佩戴 UCL 的小鼠中记录 VEP 信号，但在没有佩戴 UCL 的小鼠中未检测到任何信号（图 3A 和 3B）。NIR 光诱发的 VEP 信号的幅度和响应时间与可见光诱发的 VEP 信号一致。

此外，我们对初级视觉皮层 (V1) 进行了内在光学成像。44，45 在三个不同视觉区域，NIR 和可见光光栅刺激在佩戴 UCL 的小鼠的视觉皮层中引起了良好分离的内在光学信号（图 3C–3E 和 S3E）。这些良好分离的V1视网膜拓扑反应表明，NIR光的空间信息可以直接传输到小鼠视觉皮层。46

在条件性位置回避实验中，47，48 小鼠可以区分具有两种不同频率（2 和 0.4 Hz）的 NIR 闪烁光，并做出正确的行为决定以避免受到电击（图 3F–3H、S3F 和 S3G）。这些发现表明，UCL 促进的 NIR 视觉使小鼠能够感知 NIR 空间和时间信息。

人类佩戴 UCL 的 NIR 视觉

通过 UCL 在小鼠中实现了非侵入式 NIR 视觉之后，我们将 UCL 应用于人类。在黑暗或环境光条件下进行了人类对可见光和 NIR 光感知的敏感性测试（图 4A 和 4C）。我们观察到佩戴或不佩戴 UCL 的人类对可见光的感知灵敏度没有差异，这表明高透明度的 UCL 不会影响正常的人类视觉（图 4B 和 4D）。佩戴 UCL 的参与者能够在暗室中识别 NIR 光（图 4B）。当参与者闭上眼睛时，他们对 NIR 光的灵敏度几乎保持不变，但对可见光的灵敏度降低了 200 多倍。这归因于 NIR 光更容易穿透眼睑，正如之前在小鼠中证明的那样（图 2E–2I）。此外，在环境光条件下（100、200 和 300 勒克斯），参与者仍然能够感知 NIR 光（图 4C、4D、S3H 和 S3I），表明通过 UCL 实现的 NIR 视觉与环境日光兼容，并且与原生日光视觉并行存在。有趣的是，在环境光背景下，当参与者闭上眼睛时，对 NIR 光的灵敏度提高了 3.7 倍，而对可见光的灵敏度降低了 4.5 倍（图 4D）。这可以用闭上眼睛减少环境可见光输入同时提高 NIR 光检测的信噪比来解释。

然后，我们测量了佩戴 UCL 的人类的 NIR 视觉闪烁融合频率，发现它与可见光视觉相似（图 4E）。在此基础上，我们使用 NIR 闪烁光实现了时间编码，并发现佩戴 UCL 的参与者可以准确区分由 NIR 闪光编码的字母序列（图 4F）。在 NIR 光的空间信息识别中，从光学原理的角度来看，UCL 无法实现精细的图像感知。这是因为最初携带用于成像的空间信息的 NIR 光在进入人眼之前转换为散射的可见光，从而改变了光传播方向携带的空间信息。然而，佩戴 UCL 的参与者表现出识别粗略 NIR 图像的能力，例如区分来自特定视觉象限的 NIR 光的方向（图 S3J）。为了实现精细的 NIR 图像视觉，我们开发了一种可穿戴眼镜系统，该系统由三个凸透镜和一个集成到光路中的内置平面 UCL 组成（图 4G）。通过该系统，参与者可以区分空间分辨率阈值为约 65 个周期/度 (c/d) 的 NIR 移动光栅（图 4H）。此外，我们证明佩戴 UCL 的参与者能够区分 NIR 图案图像（水平和垂直线、S 和 O 形状、三角形和正方形）（图 4I）。总而言之，这些发现表明 UCL 在人类的 NIR 光信息识别方面具有时间和空间维度的潜力。

人类佩戴 tUCL 的 NIR 彩色视觉

为了感知在自然环境中广泛存在的多光谱红外光，我们使用了具有多波长转换能力的三色 UCNPs，19，20 以取代传统的 UCNPs。我们合成了具有多个 NIR 吸收-发射层的三色正交 UCNPs（图 5A 和 S4A–S4H）。这些 UCNPs 表现出对 808、980 和 1,532 纳米峰值波长的 NIR 光的有效吸收，同时分别在 540、450 和 650 纳米的峰值波长处发射可见光（图 5B）。这些发射峰对应于人类的绿色、蓝色和红色这三种原色。正如预期的那样，来自这种三色正交 UCNPs 的单一 NIR 激发可以产生相对单一的发射带（图 5A 和 5B），从而避免了与三种不同常规 UCNPs 直接混合相比的发射光谱带中的干扰问题。事实上，在双光谱 NIR 光激发实验中，独立调整一个光谱中 NIR 光的强度可以改变三色 UCNPs 在相应光谱下的可见光发射，表明它们具有合适的三色转换能力和颜色分离能力（[图 5](https://www.cell.com/cell/fulltext/<#