一种可穿戴式眼压监测传感器及其制备方法与流程

2021-01-08 11:01:34|

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本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种可穿戴式眼压监测传感器及其制备方法。

背景技术：

青光眼是排名首位的不可逆性致盲眼病。目前全球约有6000万青光眼患者，其中840万双失明。在中国，40岁以上人群青光眼患病率约2.6％，其中致盲率约30％。青光眼发病机制复杂，普遍认为与眼内压力(有时也称“眼压”)增高有关，病理性眼压升高或波动导致视网膜神经节细胞死亡，视神经萎缩，视野逐渐缺损，直至全盲。

由于大多数青光眼患者在早期没有任何症状，患者往往因为视野缺损而前去就诊，但此时的视功能损害已很严重。在发达国家，有一半的青光眼患者不知道自己患有青光眼；而在发展中国家，有高达90％的青光眼患者对自己的疾病一无所知。中国青光眼患者的治疗率仅有10％～20％，很多患者都是到了晚期才来就诊，增加了治疗的难度和致盲的概率。因此，对于确诊为青光眼的患者，最有效的慢病管理策略就是通过滴眼液或手术等治疗手段来降低眼压，并保持其稳定，从而减缓和控制视觉损伤的进展，终生保留有用视力。

目前，医院大部分使用外部眼压检测器来测量眼压。这样的测量方法包括单点眼压测量和24小时眼压测量。单点测量包括压平式及压陷式两种，需要患者在医院门诊就诊时进行测量。其中goldmann眼压计，是公认的眼压测量“金标准”。患者坐在裂隙灯前，点麻醉药及荧光素进行测量。通过压平角膜所需的重量来计算眼压。因此测量眼压值受到角膜厚度、曲率、弹性等生理指标的影响，与真实眼压值存在一定差异。

上述方法都需要在医生的辅助下完成，青光眼患者无法在日常生活状态下自行进行眼压测量，无法获得在两次就诊中间的日常生活状态下的眼压数据。因此，发展具有高灵敏度的连续眼压监测传感器显得至关重要。

技术实现要素：

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种便于连续监测眼内压力的可穿戴式眼压监测传感器及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种可穿戴式眼压监测传感器，其特征在于，所述传感器包括：自下而上依次设置的基底层、应变感应层和封装层，其中：

所述基底层和封装层能够与使用者的眼球形状相匹配地进行贴合；

所述应变感应层用于感应所述使用者的眼球曲率变化，并将所述眼球曲率变化转换为电信号，所述应变感应层由还原氧化石墨烯和碳纳米管材料组成。

进一步地，所述基底层采用聚二甲基硅氧烷(pdms)，封装层采用聚对二甲苯(parylene)。

进一步地，所述应变感应层由还原氧化石墨烯溶液和碳纳米管溶液按体积比1:1-5:1组成。

进一步地，所述应变感应层是通过设有的惠斯通电桥实现感应。

进一步地，所述应变感应层的厚度为100μm-200μm之间。

一种上述的传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)将聚二甲基硅氧烷(pdms)作为基底层；

(2)将还原氧化石墨烯溶液和碳纳米管溶液按体积比1:1-5:1混合，放入超声雾化喷涂设备中，通过已经设计好惠斯通电桥电路的掩膜版喷涂到基底层上形成薄膜，将喷涂得到的薄膜进行热还原，即为应变感应层；

(3)在应变感应层的上面涂覆聚对二甲苯(parylene)，形成封装层，然后通过热塑形成一定曲率，得到传感器。

进一步地，所述步骤(2)还原氧化石墨烯溶液的浓度为0.5mg-2mg/ml，碳纳米管溶液的浓度为0.2-0.5mg/ml。

进一步地，所述步骤(2)总喷涂用时为3-6小时。

进一步地，所述步骤(2)热还原的工艺条件：在180℃-200℃条件下，还原2-3小时。

进一步地，所述步骤(3)形成的曲率半径为8-10mm。

进一步地，所述步骤(3)热塑过程采用热成型的方式，依次使用三个曲率半径逐渐减小的金属球形模具进行塑形；采用的三个金属球形模具的曲率半径依次为12mm-14mm、10mm-12mm、8mm-10mm；控制加热温度180℃-220℃，总加热时间为9min-21min。

本发明的有益技术效果，本发明提供的可穿戴式眼压监测传感器，采用还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜作为传感器中的应变感应材料，与现有技术中才用的金属材料相比，还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜对眼部曲率的变化更加敏感，眼部曲率微小的变化，都会引起还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜电阻较大的阻值变化，从而使得这种变化能够被监测到，提高了眼压监测传感器的灵敏度。同时，还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜具有较高的透过率，在对使用者进行眼压监测时，并不会对使用者的视力造成影响。

附图说明

图1为本发明的可穿戴式眼压监测传感器的基本结构示意图。

图2为本发明的可穿戴式眼压监测传感器的侧面图。

图3为本发明的可穿戴式眼压监测传感器应变感应层薄膜的扫描电镜测试图。

图4为本发明的可穿戴式眼压监测传感器在不同压强下的性能测试图。

图5为本发明的可穿戴式眼压监测传感器在不同频率下的性能测试图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供的一种眼压监测传感器，该传感器包括：自下而上依次设置的基底层1、应变感应层2和封装层3，应变感应层2附在基底层1和封装层3之间，其中：基底层1和封装层3可以与使用者的眼球形状相匹配地进行贴合；应变感应层2用于感应使用者的眼球曲率变化，并将眼球曲率变化转换为电信号，应变感应层2由还原氧化石墨烯和碳纳米管材料组成，基底层采用聚二甲基硅氧烷(pdms)，封装层采用聚对二甲苯(parylene)。应变感应层连接有电极4。

应变感应层由还原氧化石墨烯溶液和碳纳米管溶液按体积比1:1-5:1组成。

应变感应层是通过设有的惠斯通电桥实现感应。

应变感应层的厚度为100-200μm之间。

一种眼压监测传感器的制备方法，包括：

(1)将聚二甲基硅氧烷(pdms)作为基底层；

(2)将还原氧化石墨烯溶液和碳纳米管溶液按体积比1:1-5:1混合，放入超声雾化喷涂设备中，通过已经设计好惠斯通电桥电路的掩膜版喷涂到基底层上形成薄膜，将喷涂得到的薄膜进行热还原，即为应变感应层；还原氧化石墨烯溶液的浓度为0.5mg-2mg/ml，碳纳米管溶液的浓度为0.2-0.5mg/ml；总喷涂用时为3-6小时；热还原的工艺条件：在180℃-200℃条件下，还原2-3小时；

(3)在应变感应层的上面涂覆聚对二甲苯(parylene)，形成封装层，然后通过热塑形成一定曲率半径为8-10mm，得到传感器。用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配的进行贴合，应变感应层附在基底层和封装层的内部。其中，热塑过程采用热成型的方式，依次使用曲率半径为12mm-14mm、10mm-12mm、8mm-10mm的三个金属球形模具进行塑形，控制加热温度180℃-220℃，总加热时间为9min-21min。

柔性的基底层和封装层材料分别为具有较强的生物兼容性和安全性的高弹性、低模量透明高分子材料聚二甲基硅氧烷(pdms)和聚对二甲苯(parylene)。

应变感应层薄膜通过喷涂法得到。

同时，可以通过调节喷涂的时间如3-6小时和次数如20次实现应变感应层厚度的调节。

实施例1

(1)将聚二甲基硅氧烷(pdms)作为基底层；

(2)将还原氧化石墨烯溶液和碳纳米管溶液按体积比1:1混合，放入超声雾化喷涂设备中，通过已经设计好惠斯通电桥电路的掩膜版喷涂到基底层上形成薄膜，将喷涂得到的薄膜进行热还原，即为应变感应层；其中，还原氧化石墨烯溶液的浓度为0.5mg/ml，碳纳米管溶液的浓度为0.2mg/ml；总喷涂用时为3小时；热还原的工艺条件：在180℃条件下，还原2小时；形成的应变感应层的厚度为100μm；

(3)在应变感应层的上面涂覆聚对二甲苯(parylene)，形成封装层，然后分别使用三个曲率半径逐渐减小的金属球形模具(12mm、10mm及8mm)进行塑形。首先，将得到的传感器半成品放入12mm金属球形模具中，在200℃热板上加热5min，放入冷却水中冷却；然后放入10mm金属球形模具中，在200℃热板上加热5min后再次放入冷却水中冷却；最后放入8mm的金属球形模具中，在200℃热板上加热5min后再次放入冷却水中冷却。在三个金属球形模具中分别热塑形后，得到的眼压监测传感器曲率半径为8mm，符合人眼佩戴隐形眼镜的尺寸要求。

实施例2

(1)将聚二甲基硅氧烷(pdms)作为基底层；

(2)将还原氧化石墨烯溶液和碳纳米管溶液按体积比5:1混合，放入超声雾化喷涂设备中，通过已经设计好惠斯通电桥电路的掩膜版喷涂到基底层上形成薄膜，将喷涂得到的薄膜进行热还原，即为应变感应层；其中，还原氧化石墨烯溶液的浓度为2mg/ml，碳纳米管溶液的浓度为0.5mg/ml；总喷涂用时为6小时；热还原的工艺条件：在200℃条件下，还原3小时；形成的应变感应层的厚度为200μm；

(3)在应变感应层的上面涂覆聚对二甲苯(parylene)，形成封装层，然后分别使用三个半径逐渐减小的金属球形模具(14mm、12mm及10mm)进行塑形。首先，将得到的传感器半成品放入14mm金属球形模具中，在220℃热板上加热3min，放入冷却水中冷却；然后放入12mm金属球形模具中，在220℃热板上加热3min后再次放入冷却水中冷却；最后放入10mm的金属球形模具中，在220℃热板上加热3min后再次放入冷却水中冷却。在三个金属球形模具中分别热塑形后，得到的眼压监测传感器曲率半径为9mm，符合人眼佩戴隐形眼镜的尺寸要求。

实施例3

(1)将聚二甲基硅氧烷(pdms)作为基底层；

(2)将还原氧化石墨烯溶液和碳纳米管溶液按体积比3:1混合，放入超声雾化喷涂设备中，通过已经设计好惠斯通电桥电路的掩膜版喷涂到基底层上形成薄膜，将喷涂得到的薄膜进行热还原，即为应变感应层；其中，还原氧化石墨烯溶液的浓度为1mg/ml，碳纳米管溶液的浓度为0.3mg/ml；总喷涂用时为5小时；热还原的工艺条件：在190℃条件下，还原2.5小时；形成的应变感应层的厚度为150μm；

(3)在应变感应层的上面涂覆聚对二甲苯(parylene)，形成封装层，然后分别使用三个半径逐渐减小的金属球形模具(13mm、11mm及9mm)进行塑形。首先，将得到的传感器半成品放入13mm金属球形模具中，在180℃热板上加热7min，放入冷却水中冷却；然后放入11mm金属球形模具中，在180℃热板上加热7min后再次放入冷却水中冷却；最后放入9mm的金属球形模具中，在180℃热板上加热7min后再次放入冷却水中冷却。在三个金属球形模具中分别热塑形后，得到的眼压监测传感器曲率半径为10mm，符合人眼佩戴隐形眼镜的尺寸要求。

如图2所示，整个眼压传感器包括三层结构，最上层和最下层分别为透明的高分子材料制备得到的基底层1和封装层3，中间层为应变感应层2；应变感应层通过喷涂工艺在透明高分子基底层上。

在使用时，眼压监测传感器被佩戴到使用者的眼睛中，当使用者的眼压发生变化时，使用者的眼球曲率会发生响应的变化，应变感应层中导电材料采用还原氧化石墨烯和碳纳米管的混合薄膜材料，还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜材料的导电性好，对外部这种眼球微小的变化十分敏感，会引起薄膜组织的变化，从而引起应变感应电阻的阻值发生相应的变化，由此，应变感应电路将眼球曲率的微小变化转换为电信号，从而实现对使用者的眼压监测。

本发明实施例提供的一种眼压监测传感器，采用还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜作为传感器中的应变感应层的导电材料，与现有技术中采用的金属材料相比，还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜材料对眼部曲率的变化更加敏感，从而提高了传感器的灵敏度。

同时，本发明中使用的还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜具有高透过率，并且可以通过调节还原氧化石墨烯和碳纳米管的比例实现不同的透过率要求，从而减少对使用者的视力影响。

在上述实施例的基础上，所述应变感应层的电路设计为精度较高的惠斯通平衡电桥，从而进一步增加该眼压传感器的灵敏度，同时减少温度漂移引起的测量误差。

该应变感应层的惠斯通电桥完全位于眼睛有效视力范围外部，中间部分留有足够的视野范围，从而基本不会影响人眼的正常视力。

在上述实施例的基础上，优选地，所述还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜厚度为118μm。

图3所示为喷涂得到的薄膜的扫描电镜图，得到连续均匀的还原氧化石墨烯溶液和碳纳米管作为应变感应层。

图4为本发明实施例在不同压强下的性能测试结果。从图中可以看出，所制备的眼压监测传感器可以在10.41～22.46mmhg范围内进行响应，并且具有高的灵敏度。

图5为本发明实施例在不同频率下的循环稳定性能测试结果。从图中可以看出，所制备的眼压监测传感器可以对不同的频率变化具有快的响应速度，同时，该传感器具有良好稳定性。

综上，与现有眼压测量技术相比，本发明的优点有：

1.利用还原氧化石墨烯和碳纳米管薄膜材料作为应变感应层的导电材料，充分利用纳米材料优异的电学、力学、光学等性能，从而提高眼压监测传感器的柔性、透明性、导电性以及在测量的灵敏度。

2.利用惠斯通电桥原理进一步提高眼压监测传感器的灵敏度，同时减少普通电路测量时带来的温度飘移和不稳定等缺点。

3.通过超声雾化喷涂的方法，该方法具有低成本、方便、易调节并且环境友好的优点。