Et forskerhold ledet af professor XUE Tian og professor MA Yuqian fra University of Science and Technology of China (USTC) har i samarbejde med flere forskergrupper med succes muliggjort menneskelig nær-infrarød (NIR) spatiotemporal farvesyn gennem opkonverterende kontaktlinser (UCL'er). Undersøgelsen blev offentliggjort online i Cell den 22. maj 2025 (EST) og blev omtalt i en pressemeddelelse afCelletryk.
I naturen spænder elektromagnetiske bølger over et bredt spektrum af bølgelængder, men det menneskelige øje kan kun opfatte en smal del kendt som synligt lys, hvilket gør NIR-lys ud over den røde ende af spektret usynligt for os.
Fig. 1. Elektromagnetiske bølger og synligt lysspektrum (billede fra professor XUEs team)
I 2019 opnåede et team ledet af professor XUE Tian, MA Yuqian og HAN Gang et gennembrud ved at injicere opkonverterende nanomaterialer i dyrs nethinder, hvilket muliggjorde den første NIR-billedopfattelse med det blotte øje hos pattedyr. På grund af den begrænsede anvendelighed af intravitreal injektion hos mennesker ligger den største udfordring for denne teknologi imidlertid i at muliggøre menneskelig opfattelse af NIR-lys gennem ikke-invasive metoder.
Bløde transparente kontaktlinser lavet af polymerkompositter tilbyder en bærbar løsning, men udviklingen af UCL'er står over for to hovedudfordringer: at opnå effektiv opkonverteringskapacitet, hvilket kræver doping med høj opkonverteringsnanopartikler (UCNP'er), og at opretholde høj transparens. Imidlertid ændrer inkorporering af nanopartikler i polymerer deres optiske egenskaber, hvilket gør det vanskeligt at balancere høj koncentration med optisk klarhed.
Gennem overflademodifikation af UCNP'er og screening af polymermaterialer med matchende brydningsindeks udviklede forskere UCL'er, der opnåede en UCNP-integration på 7-9 %, samtidig med at de opretholdt over 90 % transparens i det synlige spektrum. Desuden udviste UCL'er tilfredsstillende optisk ydeevne, hydrofilicitet og biokompatibilitet, og eksperimentelle resultater viste, at både murine modeller og menneskelige brugere ikke kun kunne detektere NIR-lys, men også differentiere dets tidsfrekvenser.
Endnu mere imponerende er det, at forskerholdet har designet et bærbart brillesystem integreret med UCL'er og optimeret optisk billeddannelse for at overvinde den begrænsning, at konventionelle UCL'er kun giver brugerne en grov opfattelse af NIR-billeder. Denne udvikling gør det muligt for brugerne at opfatte NIR-billeder med en rumlig opløsning, der kan sammenlignes med synligt lys, hvilket muliggør mere præcis genkendelse af komplekse NIR-mønstre.
For yderligere at håndtere den udbredte forekomst af multispektral NIR-lys i naturlige miljøer, erstattede forskere traditionelle UCNP'er med trikromatiske UCNP'er for at udvikle trikromatiske opkonverteringskontaktlinser (tUCL'er), som gjorde det muligt for brugerne at skelne mellem tre forskellige NIR-bølgelængder og opfatte et bredere NIR-farvespektrum. Ved at integrere farve-, tids- og rumlig information muliggjorde tUCL'er præcis genkendelse af multidimensionelle NIR-kodede data, hvilket gav forbedret spektral selektivitet og anti-interferensfunktioner.
Fig. 2. Farveudseendet af forskellige mønstre (simulerede reflekterende spejle med forskellige refleksionsspektre) under synlig og NIR-belysning, set gennem det bærbare brillesystem integreret med tUCL'er. (Billede fra professor XUEs team)
Fig. 3. UCL'er muliggør menneskelig opfattelse af NIR-lys i tidsmæssige, rumlige og kromatiske dimensioner. (Billede fra professor XUEs team)
Dette studie, som demonstrerede en bærbar løsning til NIR-syn hos mennesker gennem UCL'er, gav et proof of concept for NIR-farvesyn og åbnede op for lovende anvendelser inden for sikkerhed, anti-forfalskning og behandling af farvesynsdefekter.
Papirlink:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Skrevet af XU Yehong, SHEN Xinyi, redigeret af ZHAO Zheqian)
Opslagstidspunkt: 07. juni 2025