Kontaktlinsen: MXene-Beschichtung für sicherere und intelligentere Wearables

Forscher entwickeln fortschrittliche Kontaktlinsen mit stabilen MXene-Beschichtungen, die einen verbesserten Schutz vor elektromagnetischer Strahlung bieten.

Mit den jüngsten technologischen Fortschritten sind drahtlose Geräte sehr gefragt. Diese Innovationen werfen jedoch auch Bedenken hinsichtlich einer längeren Exposition gegenüber elektromagnetischer Strahlung (EMS) auf. Denn diese können auch potenzielle Risiken für die Augengesundheit mit sich bringen. MXene, eine Klasse von zweidimensionalen Übergangsmetallkarbiden/-nitriden, haben sich als vielversprechend für den Schutz vor EMS erwiesen. Ihre schlechte Haftung und Anfälligkeit für Oxidation haben jedoch ihre Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt.

Kontaktlinsen mit optischen und EMS-Abschirmungseigenschaften

Nun haben Forscher unter der Leitung von Prof. Takeo Miyake von der Graduate School of Information Production and Systems der Waseda-Universität in Japan stabile MXene-beschichtete Kontaktlinsen mit optischen und EMS-Abschirmungseigenschaften entwickelt. Ihr neuartiges Herstellungsverfahren gewährleistet den Wissenschaftlern zufolge eine optimale Haftung und verhindert die Oxidation der MXene-Beschichtung, wodurch bisherige Einschränkungen überwunden werden.

Die Studie wurde in eine Zusammenarbeit zwischen der Waseda-Universität, der Universität Kyoto und dem Yamaguchi-Universitätsklinikum durchgeführt. Dabei wurde Fachwissen in den Bereichen Nanofabrikation, 2D-Materialien und Augenheilkunde zusammengeführt, um die Sicherheit der Augen zu gewährleisten. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Small Science“ veröffentlicht.

„Intelligente Kontaktlinsen mit integrierten elektronischen Komponenten finden als nächste große Innovation im Bereich der tragbaren Geräte große Beachtung. Das bedeutet jedoch, dass wir zum ersten Mal drahtlose Schaltkreislinsen direkt auf unsere Hornhaut setzen und sie rund um die Uhr elektromagnetischen Wellen aussetzen. Inspiriert von Durchbrüchen bei 2D-Materialien und Technologien zur Geräteherstellung haben wir hochfunktionale Schutzkontaktlinsen entwickelt“, erklärt der Hauptautor Prof. Miyake.

Nassübertragungsverfahren für MXene-Nanoschichten

Um diese Kontaktlinsen herzustellen, bereitete das Forschungsteam zunächst MXene-Dispersionen vor. Diese wurden mit gemischten Celluloseester-Membranen (MCE) vakuumgefiltert, um MXene-basierte Folien herzustellen. Die Folien wurden dann mittels eines Nassübertragungsverfahrens unter Verwendung von Aceton auf handelsübliche weiche Kontaktlinsen aufgetragen. Die so hergestellten Linsen wurden anschließend umfassend auf ihre physikalischen Eigenschaften, Leitfähigkeit und Sicherheit untersucht. „Wir haben uns für ein Nassübertragungsverfahren entschieden, um die MXene-Nanoschichten mühelos auf die unkonventionell geformte Oberfläche von weichen Kontaktlinsen aufzubringen, was die Skalierbarkeit gewährleistet“, fügt Miyake hinzu.

Die hergestellten Kontaktlinsen zeigten eine Durchlässigkeit für sichtbares Licht von mehr als 80 Prozent, eine hohe Leitfähigkeit, Schutz vor Austrocknung und eine hohe Biokompatibilität mit einer Zellviabilität von mehr als 90 Prozent. Die aufgebrachten MXene-Schichten wiesen je nach Konzentration der Dispersionen unterschiedliche Dicken auf. Die Adhäsionseigenschaften der gelösten MCE-Membran gewährleisteten zudem eine optimale Anhaftung von MXene. Darüber hinaus schützte die MCE-Schicht MXene auch vor Oxidation.

Miyake erläutert die Bedeutung ihrer Methode wie folgt: „Unsere Forschung kann vielfältige Auswirkungen haben. Erstens erweitert die stabile und mühelose Beschichtung von MXene-Nanoschichten durch Nassübertragung die Möglichkeiten für kommerzielle Anwendungen. Zweitens ist unsere Methode einfach, aber effektiv bei der Verhinderung der MXene-Oxidation und verwandelt eine häufig übersehene Herausforderung – die MXene-Oxidation – in ein gelöstes Problem.“

93 Prozent Elektromagnetische Abschirmungseffizienz

Um die elektromagnetische Abschirmung zu bewerten, wurden die mit MXene beschichteten Kontaktlinsen an Schweineaugen getestet. Diese waren einer Mikrowellenerwärmung und Wärmebildgebung ausgesetzt. Die Linsen zeigten einen schnellen Temperaturanstieg, was den Forschern zufolge auf eine starke EMS-Absorption und -Abgabe hindeutet. Dadurch wurde eine direkte Erwärmung der Augen verhindert. Bei Einwirkung von hochfrequenten Mikrowellen absorbierte MXene die elektromagnetische Energie effektiv und gab sie als Wärmestrahlung ab, wodurch die Schweineaugen vor direkter Erwärmung geschützt wurden.

Darüber hinaus bestätigten die Forscher eine robuste elektromagnetische Abschirmungseffizienz von bis zu 93 Prozent. Den Wissenschaftlern nach stellt dies die höchste gemeldete spezifische Abschirmwirksamkeit für biokompatible Materialien bei gleicher Dicke dar und bietet einen erheblichen Schutz vor hochfrequenter Strahlung. Die Linsen zeigten einen starken Schutz vor hochfrequenter EMS und gewährleisten so eine optimale Augengesundheit, wie die Forscher erklären.

Die Wissenschaftler sehen in ihrer Entwicklung bedeutenden Fortschritt in Richtung sichererer Wearable-Technologien. Durch die Nutzung der Eigenschaften von MXene-Nanoschichten bieten die Linsen, den Forschen nach, einen wirksamen Schutz vor hochfrequenter Strahlung und gewährleisten gleichzeitig Komfort und Benutzerfreundlichkeit. Über die Augengesundheit hinaus ebne diese Entwicklung den Weg für die Integration fortschrittlicher Nanomaterialien in intelligente Wearables, medizinische Implantate und Bioelektronik, wobei sowohl Sicherheit als auch Funktionalität berücksichtigt würden.