转自:中国科学报

要是把人的眼球看成一个气球,那近视者的眼球就是一个被吹大变薄,且向后拉长的气球。这种“拉长”,是不可逆的。而且度数越高,意味着这样的“形变”越大。

低度近视者可选择配戴眼镜,或进行矫正手术。但高度近视患者面临着更多风险,例如视力恶化、出现病理性症状,甚至失明的可能。所以他们更需要治疗而非矫正,从“根”上解决问题。

目前常见的,控制高度近视继续进展的手术,名为后巩膜加固(PSR)手术。其是将特定的器件材料植入眼球壁后方的黄斑区域,对其进行加固,阻止“变形的气球”继续变大被拉长,或者将“变形”凸出的部分“顶”回去。

眼部手术本就是一项精细活儿,如何在短时间内将材料植入,“顶”哪个位置,力度多大......医生的手艺要精,经验得丰富,这也无形中加深了患者的不确定性。

为此,电子科技大学教授薛欣宇团队、电子科技大学附属医院/四川省人民医院眼科教授钟捷联合国内多家科研机构,利用电解气泡制动,设计出了一种用于高度近视治疗的无线无电池眼部调节贴片。相关论文也于近期发表于《自然—通讯》上。

一次就诊收获意外的合作

2022年有段时间,钟天延突感眼底有些不适,便计划去四川省人民医院就诊。

出发前,她在线上浏览眼科医生的信息时,偶然发现了一位“家门”:这位叫“钟捷”的医生,又刚好擅长成人眼底疾病的诊断治疗。“那就他了”,钟天延快速点击了“预约”。

就诊期间,为缓解紧张的气氛,钟捷主动问起钟天延的学业。当听到对方在电子科技大学攻读博士,于脑机接口、深脑刺激领域有涉猎时,钟捷称自己也在做一些医工融合的东西,并表达了合作意向。回校后,钟天延将这一想法告知了导师薛欣宇。

不久后,钟捷特地去到电子科技大学清水河校区,和薛欣宇团队见了一面。“我目前做的课题,就是研究微型致动器,利用电化学反应产生的气泡进行制动,产生柔性材料的形变。”钟天延正在介绍时,钟捷“突发奇想”:“那能不能用于后巩膜葡萄肿的治疗上?”

起初,钟天延不太清楚这一疾病,还专门查阅了资料。“原来这是高度近视会引起的并发症,眼球后部会呈蛋形膨出,后巩膜部分,尤其黄斑区也会变薄。”目前的治疗手术,是在眼后壁的两块直肌之间,巩膜葡萄肿处贴上加固材料,增强后巩膜强度,抑制眼轴延长。

但现有的加固材料舒适度、延展性不够,而且术中医生操作难度大。因此,钟捷提出能否结合微型致动器的动力原理,基于现有的治疗思路,研发一种新型的加固器材。

“而且我们发现,不光是葡萄肿,大多由高度近视发展而成的病理性近视,如黄斑牵拉,视网膜劈裂等,都存在眼轴增长。我们可以针对这一类疾病,进行设计。”钟天延说。

她特别提到,这项研究只是为高度近视的治疗,同时也是为病理性近视的预防提供更为安全和有效的解决途径。“相比低度近视人群,高度近视人群患病理性近视的风险会更大。”

无线供电 贴片集成强大

设计之初,团队研究和参考了目前同类型器件。

“例如中山大学中山眼科中心做的黄斑兜带手术,就是将眼球后巩膜葡萄肿处,固定一呈圆盘状的垫压物。”钟天延介绍,为了让器件更具包裹性和稳定性,团队将器件设计成了三角结构的贴片。

她向记者展示了成品:和拇指一般大小,有三个支脚。仔细端详,中部还有一块呈马蹄形的主要功能区。

钟天延解释,之所以设计了一小处“马蹄”凹陷,是考虑到贴片会固定于后巩膜黄斑区,与眼球赤道平行。而这个区域刚好与敏感的视神经相邻,于是便“留出”空位,防止与其接触。

整个贴片重量仅为0.41克,厚度有4毫米,两两腿之间距离为19毫米。“贴片轻薄,有助于手术中更轻松、方便地植入。”钟捷介绍,在不影响神经和血管的情况下,医生会利用眼部肌肉的收缩力,从眼球后壁的两条直肌间打开缝隙,将贴片植入至后巩膜处。待准确定位后,就从支脚处进行缝合,使其固定于巩膜上。

贴片虽小,但“五脏六腑”齐全。该系统的一大特点就是集成性强,承载了压电换能器、电化学微致动器、药物微针阵列、μ-LED、柔性电路等多个板块,发挥着不同的作用:无线供电、调整眼轴、释放药物、诱导胶原蛋白交联等。

贴片。杨晨摄

要想启动这些功能,必须得通电。在贴片的三条“腿”上,各有一个直径3毫米、厚度1毫米的圆片。它们是三个高灵敏度的锆钛酸铅(PZT)压电换能器,系贴片的超声能量转换器和无线控制单元,可被视为贴片的供电的“中枢”。

薛欣宇介绍,贴片内并未设置电池或电线,而是利用外接的超声探头发射超声波,接收端压电换能器再将接收到的超声能转化为电能,以供植入式设备使用。这一工作原理与给手机无线充电类似。

而三只“腿”上的PZT分工不同,分别为定位指示灯、电化学微致动器和药物微针阵列供电。按照固定的方向和位置,把贴片植入后,操作人员会将超声探头贴于患者眼皮上。“想要运行哪个功能,就把探头放在与之对应的PZT的位置。再利用外部的小型控制终端进行操作,从而连通相应的电路,启动装置。”钟天延表示。

值得一提的是,正是因为这一超声无线供电设计,贴片植入后,患者可一直处于闭眼状态,避免眼球暴露。所以相比其他同类型眼科手术来讲,该高度近视治疗手术会更稳妥。

把眼轴“顶”回去 电解气泡的妙用

如何确定贴片是否被“送”到了所需的位置?定位指示灯会给出答案。

“医生在利用裂隙灯检查和调整贴片位置的同时,也会启动定位指示灯。通过光照范围,就能查看贴片是否覆盖在治疗所需的区域。”钟天延解释。

当贴片就位后,治疗正式开始。这个过程中,脆弱的“泡泡”,竟贡献了意想不到的“能量”。

随着红色指示灯的闪烁,位于中部“马蹄”区域的电化学微致动器便投入工作。致动器是一个透明且密封的溶液储存器,内部除了有一个交错的电极外,还被注入了一定量的离子溶液。

电路连通后,储液器内会发生电解反应,产生气泡,形成一个微型泵,导致附着的薄膜膨胀。在这种膨胀的驱动下,可将凸出的部分“顶”回去,缩短变长的眼轴,有助于外界物体光线在视网膜上形成正确的图像。

气泡要变多大才会引起薄膜膨胀?相应地,得注入多少溶液?为了搞清这个问题,薛欣宇团队进行了理论计算,并综合实验数据,模拟得到了气泡产生并发生位移的曲线图。

“如果要保证气泡起到顶压的效果,需要25微升的溶液。电解腔体的初始高度为2.5毫米,因为气泡逐渐累积,腔体还会不断膨胀,不过这取决于时间。”为了保险起见,目前所有实验中,钟天延都多注入了10微升,保证在所需治疗的时间里,电解反应能够持续进行。

除了缩短眼轴,还要“加固”巩膜,使其不再“反弹”。在储液器紧挨着眼球的一侧,有一层薄薄的药物微阵列。在贴片植入后,阵列就会开始将储存的核黄素逐渐释放至后巩膜。

“待‘顶压’完成,连通电路开启围在中部区域的三个μ-LED 蓝光灯后,就能进行胶原交联固化,以提高巩膜的杨氏模量。”钟天延形容,相当于让巩膜“更皮实,不松驰了”。

同样,这个步骤中也会亮起对应的红色指示灯,用于提示。“不过因为有蓝光显示,所以两者一结合,就发出了偏紫色的光,让我们更容易分辨。”钟天延说。

提高安全性  定制化手术方案

基于上述设计,目前团队选取了眼部与人类结构相似的实验动物兔和猪,分别进行了体内和体外实验。结果表明,该类型的贴片成功将实验兔的眼轴长度缩短了约1217 微米,并将巩膜强度增加了387%。

而在对猪进行的体外实验中,团队通过OCT图像,更是直观感受并记录下了眼球巩膜变化的过程。

“可以看出,贴片将多种功能集成,结合了后巩膜加固手术(PSR)和后巩膜交联技术的优点,并提供了无线控制、无电池的解决方案。”同时,薛欣宇表示,植入的微型泵的柔性材料也与人体有很好的相容性。“采用的是一种名叫PDMS的透明硅胶,已被多个研究报道为是一种对人体无毒无害的材料。”

他也强调,目前只是通过实验证实了贴片的可行性,距离实现成果转化,真正投入临床应用最终造福高度近视患者,还有很长的路要走。

“首先器件需要优化。”薛欣宇认为,接下来要进一步确定贴片使用的全部材料,以及过程中涉及的化学反应,是否真正“安全”。

贴片各功能也有待完善。从目前实验情况看,整个手术流程从麻醉到结束,预估会持续二十分钟到半个小时,但未来如果投入临床,具体情况又得具体分析。

“不仅如此,每个患者的近视程度不同,葡萄瘤的大小亦不同。所以我们得提前评估计算,需要改变多长的轴距,使用多少的药量。”薛欣宇提到了对后巩膜的“顶压”过程,目前还未处于完全“可控”,相应的操作细节还要继续“打磨”。

“可以预见的是,未来,我们将沿着为患者制定个性化手术方案的思路而努力。”钟捷设想,也许以后在进行高度近视治疗手术前,医生可以通过OCT或磁共振,对眼球整个后颈部的形态进行准确的描述,建立3D打印模型。“由此更好地掌握病情,善用良计,精准开方。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-024-46049-6.

薛欣宇团队照片