Недавние достижения в области медицины и наноинженерии сделали возможным создание контактных линз с неинвазивными датчиками внутриглазного давления (ВГД) для диагностики глаукомы. Например, компания Sensimed разработала контактные линзы с тензодатчиком для измерения изменения кривизны роговицы в течение продолжительного периода времени. Идея создания таких линз не нова, но остается перспективной: за динамикой ВГД нужно следить в реальном времени.
Явление иризации
Фото: Предоставлено МГТУ им. Н. Э. Баумана
Явление иризации
Фото: Предоставлено МГТУ им. Н. Э. Баумана
Другое решение предложили ученые лаборатории нано- и микроструктур кафедры «Электронные технологии в машиностроении» Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана — использовать умные фотонно-кристаллические сенсорные элементы.
Фотонные кристаллы — материалы, которым так же, как классическим кристаллам, свойственна периодичность структуры. Только в фотонных кристаллах величина этого периода сравнима не с межатомным расстоянием, а с длиной волны света. Когда на пути оптического излучения встречается фотонный кристалл, волны рассеиваются (дифрагируют) на его периодической решетке. Если упруго отраженные от разных ее слоев, идущие в одном направлении волны синфазны (колебания происходят в одной фазе), то в результате их интерференции на соответствующей длине волны возникает максимум отражения. В оптическом спектре фотонного кристалла возникает темная для пропускания излучения область, которая называется фотонная запрещенная зона (ФЗЗ). Умные фотонные кристаллы реагируют на внешние воздействия, демонстрируя смещение ФЗЗ. Наличие такого элемента на поверхности гибкой контактной линзы в качестве сенсора в оптоэлектронной системе позволит регистрировать изменение радиуса кривизны роговицы на величину до 3%.
Фото: Предоставлено МГТУ им. Н. Э. Баумана
Фото: Предоставлено МГТУ им. Н. Э. Баумана
Фото: Предоставлено МГТУ им. Н. Э. Баумана
Фото: Предоставлено МГТУ им. Н. Э. Баумана
Фото: Предоставлено МГТУ им. Н. Э. Баумана
Точность диагностики зависит от качества фотонного кристалла. Наиболее технологичный фотонный кристалл — синтетический опал. Он образуется в результате самоорганизации в упорядоченную решетку коллоидных частиц сферической формы с размерами от 100 нанометров до 1 микрометра. Если пустоты такой решетки заполнить неким материалом внедрения, то, удалив из нее коллоидные частицы, можно получить инверсный опал. Для контроля ВГД можно использовать умный элемент со структурой инверсного опала, изготовленный из фиброина шелка. При изменении давления за счет эластичности этого материала изменится расстояние между слоями фотонно-кристаллической решетки и произойдет смещение ФЗЗ. Регистрация этого смещения позволит оценить величину изменения ВГД.
Процесс формирования пленок из частиц монодисперсного полистирольного латекса и кремнезема позволил получить образцы фотонно-кристаллических структур на стеклянных, ситалловых и поликоровых подложках. Но осаждение пленки на гибкую подложку практически полусферической формы намного сложнее. Чтобы организацией коллоидных частиц в упорядоченную структуру можно было управлять, процесс был проведен с помощью электрофореза. Для этого в электрохимическую ванну с коллоидной суспензией погружаются два электрода. Под действием приложенного напряжения обладающие поверхностным двойным электрическим слоем коллоидные частицы начинают двигаться в сторону одного из электродов, при определенных режимах формируя на нем пленку со структурой опаловой матрицы. Двойной электрический слой представляет собой слой ионов определенного знака, образующийся на поверхности частицы в результате адсорбции ионов из раствора или диссоциации поверхностных соединений. Он равномерно распределен по поверхности частицы. Используемые в данном случае для формирования темплата частицы карбоксилированного полистирола обладают отрицательным поверхностным зарядом, поэтому при подаче электрического поля в раствор пленка формируется на поверхности положительно заряженного электрода. Анод служит держателем контактной линзы.
Благодаря этим открытиям можно приступить к следующему этапу — получению такой пленки из фиброина шелка и созданию самой контактной линзы.