Ett forskarteam lett av professor XUE Tian och professor MA Yuqian från University of Science and Technology of China (USTC), i samarbete med flera forskargrupper, har framgångsrikt möjliggjort mänskligt nära-infrarött (NIR) spatiotemporalt färgseende genom uppkonverterande kontaktlinser (UCL). Studien publicerades online i Cell den 22 maj 2025 (EST) och presenterades i ett pressmeddelande avCellpress.
I naturen spänner elektromagnetiska vågor över ett brett spektrum av våglängder, men det mänskliga ögat kan bara uppfatta en smal del som kallas synligt ljus, vilket gör NIR-ljus bortom den röda änden av spektrumet osynligt för oss.
Fig1. Elektromagnetiska vågor och synligt ljusspektrum (Bild från professor XUEs team)
År 2019 uppnådde ett team lett av professor XUE Tian, MA Yuqian och HAN Gang ett genombrott genom att injicera uppkonverterande nanomaterial i djurs näthinnor, vilket möjliggjorde den första NIR-bildseendet med blotta ögat hos däggdjur. På grund av den begränsade användbarheten av intravitreal injektion hos människor ligger dock den största utmaningen för denna teknik i att möjliggöra mänsklig uppfattning av NIR-ljus genom icke-invasiva metoder.
Mjuka transparenta kontaktlinser tillverkade av polymerkompositer erbjuder en bärbar lösning, men utvecklingen av UCL står inför två huvudutmaningar: att uppnå effektiv uppkonverteringskapacitet, vilket kräver dopning av nanopartiklar med hög uppkonverteringskapacitet (UCNP), och att bibehålla hög transparens. Att införliva nanopartiklar i polymerer förändrar dock deras optiska egenskaper, vilket gör det svårt att balansera hög koncentration med optisk klarhet.
Genom ytmodifiering av UCNP och screening av brytningsindex-matchade polymermaterial utvecklade forskare UCL som uppnådde 7–9 % UCNP-integration samtidigt som de bibehöll över 90 % transparens i det synliga spektrumet. Dessutom uppvisade UCL tillfredsställande optisk prestanda, hydrofilicitet och biokompatibilitet, med experimentella resultat som visade att både murina modeller och mänskliga bärare inte bara kunde detektera NIR-ljus utan också differentiera dess tidsfrekvenser.
Ännu mer imponerande är att forskargruppen utformade ett bärbart glasögonsystem integrerat med UCL-kameror och optimerad optisk avbildning för att övervinna begränsningen att konventionella UCL-kameror bara ger användare en grov uppfattning av NIR-bilder. Denna utveckling gör det möjligt för användare att uppfatta NIR-bilder med en rumslig upplösning jämförbar med synligt ljus, vilket möjliggör mer exakt igenkänning av komplexa NIR-mönster.
För att ytterligare hantera den utbredda förekomsten av multispektralt NIR-ljus i naturliga miljöer ersatte forskare traditionella UCNP:er med trikromatiska UCNP:er för att utveckla trikromatiska uppkonverterande kontaktlinser (tUCL:er), vilket gjorde det möjligt för användare att urskilja tre distinkta NIR-våglängder och uppfatta ett bredare NIR-färgspektrum. Genom att integrera färg-, temporal- och spatialinformation möjliggjorde tUCL:er exakt igenkänning av flerdimensionell NIR-kodad data, vilket erbjuder förbättrad spektral selektivitet och anti-interferensfunktioner.
Fig2. Färgutseendet hos olika mönster (simulerade reflekterande speglar med olika reflektionsspektra) under synlig och NIR-belysning, sett genom det bärbara glasögonsystemet integrerat med tUCL:er. (Bild från professor XUE:s team)
Fig. 3. UCL:er möjliggör mänsklig uppfattning av NIR-ljus i tidsmässiga, rumsliga och kromatiska dimensioner. (Bild från professor XUE:s team)
Denna studie, som demonstrerade en bärbar lösning för NIR-seende hos människor genom UCL:er, gav ett koncept för NIR-färgseende och öppnade upp för lovande tillämpningar inom säkerhet, antiförfalskning och behandling av färgseendebrister.
Länk till papper:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Skrivet av XU Yehong, SHEN Xinyi, redigerad av ZHAO Zheqian)
Publiceringstid: 7 juni 2025