Et forskerteam ledet av professor XUE Tian og professor MA Yuqian fra University of Science and Technology of China (USTC), i samarbeid med flere forskningsgrupper, har med hell muliggjort menneskelig nær-infrarød (NIR) spatiotemporal fargesyn gjennom oppkonverterende kontaktlinser (UCL-er). Studien ble publisert på nett i Cell 22. mai 2025 (EST), og ble omtalt i en pressemelding avCellepresse.
I naturen spenner elektromagnetiske bølger over et bredt spekter av bølgelengder, men det menneskelige øyet kan bare oppfatte en smal del kjent som synlig lys, noe som gjør NIR-lys utenfor den røde enden av spekteret usynlig for oss.
Fig. 1. Elektromagnetiske bølger og synlig lysspektrum (bilde fra professor XUEs team)
I 2019 oppnådde et team ledet av professor XUE Tian, MA Yuqian og HAN Gang et gjennombrudd ved å injisere oppkonverterende nanomaterialer i netthinnen til dyr, noe som muliggjorde den aller første NIR-bildesynsevnen med det blotte øye hos pattedyr. På grunn av den begrensede anvendeligheten av intravitreal injeksjon hos mennesker, ligger imidlertid den største utfordringen for denne teknologien i å muliggjøre menneskelig oppfatning av NIR-lys gjennom ikke-invasive metoder.
Myke, gjennomsiktige kontaktlinser laget av polymerkompositter gir en brukbar løsning, men utviklingen av UCL-er står overfor to hovedutfordringer: å oppnå effektiv oppkonverteringskapasitet, som krever doping av nanopartikler med høy oppkonvertering (UCNP), og å opprettholde høy gjennomsiktighet. Imidlertid endrer innlemmelse av nanopartikler i polymerer deres optiske egenskaper, noe som gjør det vanskelig å balansere høy konsentrasjon med optisk klarhet.
Gjennom overflatemodifisering av UCNP-er og screening av brytningsindeks-matchede polymermaterialer, utviklet forskere UCL-er som oppnådde 7–9 % UCNP-integrasjon samtidig som de opprettholdt over 90 % transparens i det synlige spekteret. Videre viste UCL-er tilfredsstillende optisk ytelse, hydrofilisitet og biokompatibilitet, med eksperimentelle resultater som viste at både murine modeller og menneskelige brukere ikke bare kunne oppdage NIR-lys, men også differensiere dets tidsfrekvenser.
Enda imponerende er det at forskerteamet utviklet et bærbart brillesystem integrert med UCL-er og optimalisert optisk avbildning for å overvinne begrensningen med at konvensjonelle UCL-er bare gir brukerne en grov oppfatning av NIR-bilder. Denne forbedringen gjør det mulig for brukere å oppfatte NIR-bilder med en romlig oppløsning som kan sammenlignes med syn i synlig lys, noe som gir mer nøyaktig gjenkjenning av komplekse NIR-mønstre.
For å håndtere den utbredte forekomsten av multispektral NIR-lys i naturlige miljøer ytterligere, erstattet forskere tradisjonelle UCNP-er med trikromatiske UCNP-er for å utvikle trikromatiske oppkonverteringskontaktlinser (tUCL-er), som gjorde det mulig for brukere å skille mellom tre distinkte NIR-bølgelengder og oppfatte et bredere NIR-fargespektrum. Ved å integrere farge-, tids- og romlig informasjon, tillot tUCL-er presis gjenkjenning av flerdimensjonale NIR-kodede data, noe som gir forbedret spektral selektivitet og anti-interferensegenskaper.
Fig. 2. Fargeutseendet til ulike mønstre (simulerte reflekterende speil med forskjellige refleksjonsspektre) under synlig og NIR-belysning, sett gjennom det bærbare brillesystemet integrert med tUCL-er. (Bilde fra professor XUEs team)
Fig. 3. UCL-er muliggjør menneskelig oppfatning av NIR-lys i tidsmessige, romlige og kromatiske dimensjoner. (Bilde fra professor XUEs team)
Denne studien, som demonstrerte en bærbar løsning for NIR-syn hos mennesker gjennom UCL-er, ga et konseptbevis for NIR-fargesyn og åpnet for lovende bruksområder innen sikkerhet, anti-forfalskning og behandling av fargesynsdefekter.
Papirlenke:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Skrevet av XU Yehong, SHEN Xinyi, redigert av ZHAO Zheqian)
Publisert: 07.06.2025