Avanços recentes em lentes de contato inteligentes podem ajudar engenheiros biomédicos a realizar aplicações médicas e imagens de visão para realidade aumentada com sistemas de comunicação sem fio. Pesquisas anteriores sobre lentes de contato inteligentes foram conduzidas por um sistema sem fio ou transferência de energia sem fio com restrições temporais e espaciais. Essas fontes de energia podem limitar seu uso contínuo e exigir dispositivos de armazenamento de energia. A rigidez, calor e bateria grande também são menos adequados para soft, lentes de contato inteligentes. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Jihun Park e uma equipe de pesquisa nos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Centro de Nanomedicina e Departamento de Engenharia da Coréia, descreveu um teste piloto humano para lentes de contato inteligentes. Eles projetaram as lentes com um recarregável sem fio, supercapacitor de estado sólido para operação contínua. A equipe de pesquisa imprimiu o supercapacitor e integrou todos os componentes do dispositivo, incluindo a antena, retificador e diodo emissor de luz usando estruturas extensíveis para formar as lentes gelatinosas sem obstruir a visão. O dispositivo era confiável contra radiação térmica e eletromagnética, com resultados de teste promissores in vivo e uma promessa substancial para lentes de contato inteligentes no futuro.

Avanços na eletrônica vestível permitiram que pesquisadores biomédicos monitorassem sinais físicos e metabólitos em fluidos corporais humanos. As lentes de contato inteligentes podem ser amplamente estudadas como uma nova plataforma para monitorar continuamente os sinais vitais nos olhos e dentro das lágrimas para investigar biomarcadores associados a doenças. As lentes também podem oferecer aplicações expandidas em outras áreas, como dispositivos inteligentes para administração de medicamentos e realidade aumentada. A suavidade das lentes de contato inteligentes é essencial para o conforto do usuário por longos períodos durante a operação sem fio intermitente. A rigidez, a geração de calor e o tamanho da bateria tornaram as lentes anteriores menos adequadas para funcionar conforme necessário. Para lidar com os limites existentes, Park et al. introduziu uma nova abordagem para projetar um software lente de contato inteligente com um supercapacitor de estado sólido recarregável sem fio para operação contínua do dispositivo eletrônico.

Primeiro, eles formaram uma base de carvão ativado, Estado sólido, supercapacitor elétrico de camada dupla usando um de alta precisão, processo de escrita direta com tinta em microescala (DIW) para criar lentes de contato inteligentes. Os supercapacitores geralmente exibem ciclos de vida longos e densidade de alta potência para operações consistentes de carregamento e descarregamento sem fio de dispositivos eletrônicos arraigados em lentes de contato inteligentes. O supercapacitor neste trabalho também serviu como um suporte físico durante a integração 3-D camada por camada com circuitos eletrônicos e antena para formar o sistema de carregamento sem fio. Esta foi uma etapa desafiadora devido à área limitada das lentes de contato inteligentes.

Park et al. combinou o sistema de carregamento sem fio com o supercapacitor de estado sólido para facilitar a operação contínua e repetitiva da lente de contato inteligente sem uma porta elétrica externa. Para construir geometrias extensíveis para a antena, os pesquisadores usaram nanoestruturas híbridas de nanofibras de prata ultrafortes (AgNFs) e nanofios de prata finos (AgNWs). Adicionalmente, eles usaram um substrato híbrido extensível composto de ilhas rigidamente reforçadas e uma matriz macia para melhorar a resistência dos componentes frágeis das lentes de contato contra a deformação mecânica. O sistema exibiu excelente resistência após 300 ciclos com uma deformação de tração biaxial de 30 por cento. As lentes de contato inteligentes mantinham alta suavidade e conforto sem obscurecer a visão do usuário, ao mesmo tempo em que protege dispositivos elétricos de rasgo em um cronograma de sete dias. O sistema de carregamento sem fio evitou o aquecimento abrupto para proteger a segurança do usuário. Um ensaio piloto humano e estudos translacionais in vivo em coelhos vivos verificaram ainda mais a biocompatibilidade da lente.

Park et al. combinou o supercapacitor de estado sólido carregável sem fio com o circuito retificador, antena e diodo emissor de luz (LED) dentro do layout do soft, lente de contato inteligente. Eles incluíram uma unidade de transferência de energia sem fio (WPT) na camada superior da lente de contato inteligente e a camada inferior continha o supercapacitor de estado sólido para armazenar e usar energia elétrica repetidamente. A equipe de pesquisa integrou o LED como um indicador para detectar a operação sem fio das lentes de contato inteligentes. O fator de forma em forma de arco garantiu a densidade de energia máxima dentro das áreas limitadas das lentes de contato, permitindo a deformabilidade quando esticada. Para evitar interferência com o campo de visão do usuário, a equipe projetou as lentes de contato inteligentes para conter todos os componentes fora da pupila do usuário. Eles também incluíram uma configuração de eletrodo no plano para minimizar a falha abrupta do curto-circuito interno. Park et al. observaram os eletrodos resultantes e o eletrólito de estado sólido preparado usando o processo DIW (direct ink writing) com imagens de microscópio eletrônico de varredura (MEV).

A equipe de pesquisa imprimiu o formato de arco, supercapacitor de estado sólido monoliticamente integrado (supercapacitor MIS) diretamente para formar a lente de contato inteligente enquanto introduz uma camada de empacotamento à base de parileno para evitar vazamento do material constituinte nos olhos. O supercapacitor mostrou desempenho de ciclo razoável combinado com o sistema de carregamento sem fio para uso de longo prazo. O estudo formou um primeiro relatório sobre lentes de contato inteligentes integradas à fonte de energia com desempenho eletroquímico sustentável.

Park et al. em seguida, projetou o circuito de transferência de energia sem fio (WPT) para carregar o supercapacitor. O circuito WPT subjacente exibiu boa elasticidade mecânica e estabilidade química para suportar uma variedade de estímulos. O circuito teve degradação insignificante em seu desempenho elétrico, mesmo durante seu estado de alongamento - adequado para lentes de contato flexíveis e moles. A equipe de pesquisa caracterizou o supercapacitor e o sistema WPT usando processos de carregamento sem fio / descarga galvanostática e carregou o supercapacitor totalmente usando condições de carregamento sem fio em um tempo relativamente curto (240 segundos). O sistema sem fio forneceu desempenho confiável em vários ciclos para lentes de contato inteligentes - adequadas para uso de longo prazo.

O sistema de lentes de contato gelatinosas completo continha, assim, um supercapacitor recarregável sem fio, antena, circuito retificador e LED unidos de forma extensível. Depois de assimilar as camadas, os cientistas encapsularam os componentes eletrônicos em um elastômero de silicone como um material para lentes de contato gelatinosas disponível comercialmente e moldado na forma de lentes de contato. Quando conduzido sem fio, o LED embutido indicava o status de carregamento e descarregamento sem fio. A equipe de pesquisa primeiro testou o dispositivo no olho de um manequim e monitorou a geração de calor durante a operação sem fio da lente usando uma câmera infravermelha (IR). Os resultados indicaram confiabilidade das lentes de contato inteligentes contra radiação térmica ou eletromagnética. Durante os testes de translação in vivo, os pesquisadores colocaram as lentes de contato no olho de um coelho vivo para uma operação confiável, sem efeitos colaterais perceptíveis ou geração abrupta de calor. Durante os testes piloto humanos subsequentes em um olho humano, Park et al. testou todas as funções, incluindo a operação de carregamento / descarregamento sem fio do supercapacitor e LED. Os resultados foram viáveis ​​com funcionalidades sem fio conforme o esperado e sem reações adversas.

Desta maneira, Jihun Park e seus colegas projetaram um soft, lente de contato inteligente para carregar um supercapacitor sem fio para função contínua. Eles incorporaram os componentes eletrônicos, incluindo uma antena extensível, circuitos retificadores, LEDs e um supercapacitor para formar o soft, lente de contato inteligente sem obstruir a visão do usuário durante o uso. Eles realizaram muitos testes de estabilidade para o uso de longo prazo do soft, lente de contato inteligente. Os estudos piloto em humanos e estudos translacionais com coelhos vivos comprovaram boa biocompatibilidade. A equipe de pesquisa espera usar a plataforma miniaturizada, dispositivo eletrônico vestível com função contínua.

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