Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. XUE Tian und Prof. MA Yuqian von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (USTC) hat in Zusammenarbeit mit mehreren Forschungsgruppen erfolgreich die räumlich-zeitliche Farbwahrnehmung im nahen Infrarotbereich (NIR) mithilfe von Upconversion-Kontaktlinsen (UCLs) ermöglicht. Die Studie wurde am 22. Mai 2025 (EST) online in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht und in einer Pressemitteilung erwähnt.Cell Press.
In der Natur umfassen elektromagnetische Wellen ein breites Spektrum an Wellenlängen, aber das menschliche Auge kann nur einen schmalen Teil davon wahrnehmen, der als sichtbares Licht bekannt ist, wodurch NIR-Licht jenseits des roten Endes des Spektrums für uns unsichtbar wird.
Abb. 1. Elektromagnetische Wellen und sichtbares Lichtspektrum (Bild aus dem Team von Prof. XUE)
Im Jahr 2019 gelang einem Team um Prof. XUE Tian, MA Yuqian und HAN Gang ein Durchbruch: Sie injizierten Upconversion-Nanomaterialien in die Netzhaut von Tieren und ermöglichten so erstmals die Nahinfrarot-Bildgebung mit bloßem Auge bei Säugetieren. Aufgrund der begrenzten Anwendbarkeit intravitrealer Injektionen beim Menschen besteht die zentrale Herausforderung dieser Technologie jedoch darin, die menschliche Wahrnehmung von Nahinfrarotlicht auf nicht-invasive Weise zu ermöglichen.
Weiche, transparente Kontaktlinsen aus Polymerverbundwerkstoffen bieten eine tragbare Lösung. Die Entwicklung solcher Linsen steht jedoch vor zwei zentralen Herausforderungen: der Erzielung einer effizienten Aufwärtskonversionsfähigkeit, die eine Dotierung mit hochkonvertierenden Nanopartikeln (UCNPs) erfordert, und der Aufrechterhaltung einer hohen Transparenz. Die Einarbeitung von Nanopartikeln in Polymere verändert jedoch deren optische Eigenschaften, wodurch es schwierig wird, eine hohe Konzentration mit optischer Klarheit in Einklang zu bringen.
Durch Oberflächenmodifizierung von UCNPs und Screening von Polymermaterialien mit angepasstem Brechungsindex entwickelten Forscher UCLs mit einer UCNP-Integration von 7–9 % bei gleichzeitig über 90 % Transparenz im sichtbaren Spektrum. Darüber hinaus zeigten die UCLs zufriedenstellende optische Eigenschaften, Hydrophilie und Biokompatibilität. Experimentelle Ergebnisse belegten, dass sowohl Mausmodelle als auch menschliche Träger NIR-Licht nicht nur detektieren, sondern auch dessen Frequenzen unterscheiden konnten.
Noch beeindruckender ist, dass das Forschungsteam ein tragbares Brillensystem mit integrierten UCLs und optimierter optischer Bildgebung entwickelt hat, um die Einschränkung herkömmlicher UCLs zu überwinden, die Nutzern nur eine grobe Wahrnehmung von NIR-Bildern ermöglichen. Dieser Fortschritt erlaubt es Nutzern, NIR-Bilder mit einer räumlichen Auflösung wahrzunehmen, die mit dem sichtbaren Sehen vergleichbar ist, und ermöglicht so eine präzisere Erkennung komplexer NIR-Muster.
Um der weitverbreiteten Präsenz multispektralen NIR-Lichts in natürlichen Umgebungen besser begegnen zu können, ersetzten Forscher herkömmliche UCNPs durch trichromatische UCNPs und entwickelten so trichromatische Upconversion-Kontaktlinsen (tUCLs). Diese ermöglichen es dem Träger, drei verschiedene NIR-Wellenlängen zu unterscheiden und ein breiteres NIR-Farbspektrum wahrzunehmen. Durch die Integration von Farb-, Zeit- und Ortsinformationen erlauben tUCLs die präzise Erkennung mehrdimensionaler NIR-kodierter Daten und bieten eine verbesserte spektrale Selektivität sowie höhere Störfestigkeit.
Abb. 2. Farbdarstellung verschiedener Muster (simulierte reflektierende Spiegel mit unterschiedlichen Reflexionsspektren) unter sichtbarer und NIR-Beleuchtung, betrachtet durch das mit tUCLs integrierte tragbare Brillensystem. (Bild aus dem Team von Prof. XUE)
Abb. 3. UCLs ermöglichen dem Menschen die Wahrnehmung von NIR-Licht in zeitlicher, räumlicher und chromatischer Dimension. (Bild aus dem Team von Prof. XUE)
Diese Studie, die eine tragbare Lösung für das NIR-Sehen beim Menschen mittels UCLs demonstrierte, lieferte einen Machbarkeitsnachweis für das NIR-Farbsehen und eröffnete vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Sicherheit, Fälschungsschutz und Behandlung von Farbsehschwächen.
Link zum Papier:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Geschrieben von XU Yehong, SHEN Xinyi, herausgegeben von ZHAO Zheqian)
Veröffentlichungsdatum: 07.06.2025