拇指般大小的贴片，将成为高度近视者的福音
拇指般大小的贴片，将成为高度近视者的福音
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，利用电解气泡致动，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致动，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.