轉(zhuǎn)自：中國科學報

要是把人的眼球看成一個氣球，那近視者的眼球就是一個被吹大變薄，且向后拉長的氣球。這種“拉長”，是不可逆的。而且度數(shù)越高，意味著這樣的“形變”越大。

低度近視者可選擇配戴眼鏡，或進行矯正手術(shù)。但高度近視患者面臨著更多風險，例如視力惡化、出現(xiàn)病理性癥狀，甚至失明的可能。所以他們更需要治療而非矯正，從“根”上解決問題。

目前常見的，控制高度近視繼續(xù)進展的手術(shù)，名為后鞏膜加固（PSR）手術(shù)。其是將特定的器件材料植入眼球壁后方的黃斑區(qū)域，對其進行加固，阻止“變形的氣球”繼續(xù)變大被拉長，或者將“變形”凸出的部分“頂”回去。

眼部手術(shù)本就是一項精細活兒，如何在短時間內(nèi)將材料植入，“頂”哪個位置，力度多大......醫(yī)生的手藝要精，經(jīng)驗得豐富，這也無形中加深了患者的不確定性。

為此，電子科技大學教授薛欣宇團隊、電子科技大學附屬醫(yī)院/四川省人民醫(yī)院眼科教授鐘捷聯(lián)合國內(nèi)多家科研機構(gòu)，利用電解氣泡制動，設(shè)計出了一種用于高度近視治療的無線無電池眼部調(diào)節(jié)貼片。相關(guān)論文也于近期發(fā)表于《自然—通訊》上。

一次就診收獲意外的合作

2022年有段時間，鐘天延突感眼底有些不適，便計劃去四川省人民醫(yī)院就診。

出發(fā)前，她在線上瀏覽眼科醫(yī)生的信息時，偶然發(fā)現(xiàn)了一位“家門”：這位叫“鐘捷”的醫(yī)生，又剛好擅長成人眼底疾病的診斷治療?！澳蔷退恕?，鐘天延快速點擊了“預(yù)約”。

就診期間，為緩解緊張的氣氛，鐘捷主動問起鐘天延的學業(yè)。當聽到對方在電子科技大學攻讀博士，于腦機接口、深腦刺激領(lǐng)域有涉獵時，鐘捷稱自己也在做一些醫(yī)工融合的東西，并表達了合作意向?；匦：?，鐘天延將這一想法告知了導師薛欣宇。

不久后，鐘捷特地去到電子科技大學清水河校區(qū)，和薛欣宇團隊見了一面。“我目前做的課題，就是研究微型致動器，利用電化學反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡進行制動，產(chǎn)生柔性材料的形變?！辩娞煅诱诮榻B時，鐘捷“突發(fā)奇想”：“那能不能用于后鞏膜葡萄腫的治療上？”

起初，鐘天延不太清楚這一疾病，還專門查閱了資料?！霸瓉磉@是高度近視會引起的并發(fā)癥，眼球后部會呈蛋形膨出，后鞏膜部分，尤其黃斑區(qū)也會變薄?！蹦壳暗闹委熓中g(shù)，是在眼后壁的兩塊直肌之間，鞏膜葡萄腫處貼上加固材料，增強后鞏膜強度，抑制眼軸延長。

但現(xiàn)有的加固材料舒適度、延展性不夠，而且術(shù)中醫(yī)生操作難度大。因此，鐘捷提出能否結(jié)合微型致動器的動力原理，基于現(xiàn)有的治療思路，研發(fā)一種新型的加固器材。

“而且我們發(fā)現(xiàn)，不光是葡萄腫，大多由高度近視發(fā)展而成的病理性近視，如黃斑牽拉，視網(wǎng)膜劈裂等，都存在眼軸增長。我們可以針對這一類疾病，進行設(shè)計?！辩娞煅诱f。

她特別提到，這項研究只是為高度近視的治療，同時也是為病理性近視的預(yù)防提供更為安全和有效的解決途徑。“相比低度近視人群，高度近視人群患病理性近視的風險會更大?！?/p>

無線供電貼片集成強大

設(shè)計之初，團隊研究和參考了目前同類型器件。

“例如中山大學中山眼科中心做的黃斑兜帶手術(shù)，拇指般大小的貼片，將成為高度近視者的福音就是將眼球后鞏膜葡萄腫處，固定一呈圓盤狀的墊壓物?！辩娞煅咏榻B，為了讓器件更具包裹性和穩(wěn)定性，團隊將器件設(shè)計成了三角結(jié)構(gòu)的貼片。

她向記者展示了成品：和拇指一般大小，有三個支腳。仔細端詳，中部還有一塊呈馬蹄形的主要功能區(qū)。

鐘天延解釋，之所以設(shè)計了一小處“馬蹄”凹陷，是考慮到貼片會固定于后鞏膜黃斑區(qū)，與眼球赤道平行。而這個區(qū)域剛好與敏感的視神經(jīng)相鄰，于是便“留出”空位，防止與其接觸。

整個貼片重量僅為0.41克，厚度有4毫米，兩兩腿之間距離為19毫米。“貼片輕薄，有助于手術(shù)中更輕松、方便地植入?！辩娊萁榻B，在不影響神經(jīng)和血管的情況下，醫(yī)生會利用眼部肌肉的收縮力，從眼球后壁的兩條直肌間打開縫隙，將貼片植入至后鞏膜處。待準確定位后，就從支腳處進行縫合，使其固定于鞏膜上。

貼片雖小，但“五臟六腑”齊全。該系統(tǒng)的一大特點就是集成性強，承載了壓電換能器、電化學微致動器、藥物微針陣列、μ-LED、柔性電路等多個板塊，發(fā)揮著不同的作用：無線供電、調(diào)整眼軸、釋放藥物、誘導膠原蛋白交聯(lián)等。

貼片。楊晨攝

要想啟動這些功能，必須得通電。在貼片的三條“腿”上，各有一個直徑3毫米、厚度1毫米的圓片。它們是三個高靈敏度的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電換能器，系貼片的超聲能量轉(zhuǎn)換器和無線控制單元，可被視為貼片的供電的“中樞”。

薛欣宇介紹，貼片內(nèi)并未設(shè)置電池或電線，而是利用外接的超聲探頭發(fā)射超聲波，接收端壓電換能器再將接收到的超聲能轉(zhuǎn)化為電能，以供植入式設(shè)備使用。這一工作原理與給手機無線充電類似。

而三只“腿”上的PZT分工不同，分別為定位指示燈、電化學微致動器和藥物微針陣列供電。按照固定的方向和位置，把貼片植入后，操作人員會將超聲探頭貼于患者眼皮上。“想要運行哪個功能，就把探頭放在與之對應(yīng)的PZT的位置。再利用外部的小型控制終端進行操作，從而連通相應(yīng)的電路，啟動裝置。”鐘天延表示。

值得一提的是，正是因為這一超聲無線供電設(shè)計，貼片植入后，患者可一直處于閉眼狀態(tài)，避免眼球暴露。所以相比其他同類型眼科手術(shù)來講，該高度近視治療手術(shù)會更穩(wěn)妥。

把眼軸“頂”回去電解氣泡的妙用

如何確定貼片是否被“送”到了所需的位置？定位指示燈會給出答案。

“醫(yī)生在利用裂隙燈檢查和調(diào)整貼片位置的同時，也會啟動定位指示燈。通過光照范圍，就能查看貼片是否覆蓋在治療所需的區(qū)域。”鐘天延解釋。

當貼片就位后，治療正式開始。這個過程中，脆弱的“泡泡”，竟貢獻了意想不到的“能量”。

隨著紅色指示燈的閃爍，位于中部“馬蹄”區(qū)域的電化學微致動器便投入工作。致動器是一個透明且密封的溶液儲存器，內(nèi)部除了有一個交錯的電極外，還被注入了一定量的離子溶液。

電路連通后，儲液器內(nèi)會發(fā)生電解反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡，形成一個微型泵，導致附著的薄膜膨脹。在這種膨脹的驅(qū)動下，可將凸出的部分“頂”回去，縮短變長的眼軸，有助于外界物體光線在視網(wǎng)膜上形成正確的圖像。

氣泡要變多大才會引起薄膜膨脹？相應(yīng)地，得注入多少溶液？為了搞清這個問題，薛欣宇團隊進行了理論計算，并綜合實驗數(shù)據(jù)，模擬得到了氣泡產(chǎn)生并發(fā)生位移的曲線圖。

“如果要保證氣泡起到頂壓的效果，需要25微升的溶液。電解腔體的初始高度為2.5毫米，因為氣泡逐漸累積，腔體還會不斷膨脹，不過這取決于時間?！睘榱吮ｋU起見，目前所有實驗中，鐘天延都多注入了10微升，保證在所需治療的時間里，電解反應(yīng)能夠持續(xù)進行。

除了縮短眼軸，還要“加固”鞏膜，使其不再“反彈”。在儲液器緊挨著眼球的一側(cè)，有一層薄薄的藥物微陣列。在貼片植入后，陣列就會開始將儲存的核黃素逐漸釋放至后鞏膜。

“待‘頂壓’完成，連通電路開啟圍在中部區(qū)域的三個μ-LED藍光燈后，就能進行膠原交聯(lián)固化，以提高鞏膜的楊氏模量?！辩娞煅有稳荩喈斢谧岇柲ぁ案?，不松馳了”。

同樣，這個步驟中也會亮起對應(yīng)的紅色指示燈，用于提示?！安贿^因為有藍光顯示，所以兩者一結(jié)合，就發(fā)出了偏紫色的光，讓我們更容易分辨?！辩娞煅诱f。

提高安全性定制化手術(shù)方案

基于上述設(shè)計，目前團隊選取了眼部與人類結(jié)構(gòu)相似的實驗動物兔和豬，分別進行了體內(nèi)和體外實驗。結(jié)果表明，該類型的貼片成功將實驗兔的眼軸長度縮短了約1217微米，并將鞏膜強度增加了387%。

而在對豬進行的體外實驗中，團隊通過OCT圖像，更是直觀感受并記錄下了眼球鞏膜變化的過程。

“可以看出，貼片將多種功能集成，結(jié)合了后鞏膜加固手術(shù)（PSR）和后鞏膜交聯(lián)技術(shù)的優(yōu)點，并提供了無線控制、無電池的解決方案?！蓖瑫r，薛欣宇表示，植入的微型泵的柔性材料也與人體有很好的相容性?！安捎玫氖且环N名叫PDMS的透明硅膠，已被多個研究報道為是一種對人體無毒無害的材料?！?/p>

他也強調(diào)，目前只是通過實驗證實了貼片的可行性，距離實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，真正投入臨床應(yīng)用最終造福高度近視患者，還有很長的路要走。

“首先器件需要優(yōu)化?！毖π烙钫J為，接下來要進一步確定貼片使用的全部材料，以及過程中涉及的化學反應(yīng)，是否真正“安全”。

貼片各功能也有待完善。從目前實驗情況看，整個手術(shù)流程從麻醉到結(jié)束，預(yù)估會持續(xù)二十分鐘到半個小時，但未來如果投入臨床，具體情況又得具體分析。

“不僅如此，每個患者的近視程度不同，葡萄瘤的大小亦不同。所以我們得提前評估計算，需要改變多長的軸距，使用多少的藥量?！毖π烙钐岬搅藢箪柲さ摹绊攭骸边^程，目前還未處于完全“可控”，相應(yīng)的操作細節(jié)還要繼續(xù)“打磨”。

“可以預(yù)見的是，未來，我們將沿著為患者制定個性化手術(shù)方案的思路而努力?！辩娊菰O(shè)想，也許以后在進行高度近視治療手術(shù)前，醫(yī)生可以通過OCT或磁共振，對眼球整個后頸部的形態(tài)進行準確的描述，建立3D打印模型?！坝纱烁玫卣莆詹∏?，善用良計，精準開方?！?/p>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46049-6.

薛欣宇團隊照片