Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. XUE Tian und Prof. MA Yuqian von der University of Science and Technology of China (USTC) hat in Zusammenarbeit mit mehreren Forschungsgruppen erfolgreich das räumlich-zeitliche Farbsehen im Nahinfrarotbereich (NIR) durch Upconversion-Kontaktlinsen (UCLs) ermöglicht. Die Studie wurde am 22. Mai 2025 (EST) online in Cell veröffentlicht und in einer Pressemitteilung vonZellpresse.
In der Natur decken elektromagnetische Wellen einen großen Wellenlängenbereich ab, das menschliche Auge kann jedoch nur einen schmalen Bereich wahrnehmen, der als sichtbares Licht bezeichnet wird. NIR-Licht jenseits des roten Endes des Spektrums ist für uns unsichtbar.
Abb. 1. Elektromagnetische Wellen und sichtbares Lichtspektrum (Bild vom Team von Prof. XUE)
Im Jahr 2019 gelang einem Team um Prof. XUE Tian, MA Yuqian und HAN Gang ein Durchbruch durch die Injektion von Upconversion-Nanomaterialien in die Netzhaut von Tieren. Dadurch wurde erstmals Säugetieren die Möglichkeit gegeben, mit bloßem Auge NIR-Bilder zu sehen. Da die intravitreale Injektion beim Menschen jedoch nur begrenzt anwendbar ist, besteht die größte Herausforderung dieser Technologie darin, die menschliche Wahrnehmung von NIR-Licht auf nicht-invasive Weise zu ermöglichen.
Weiche, transparente Kontaktlinsen aus Polymerverbundwerkstoffen bieten eine tragbare Lösung. Die Entwicklung von UCLs steht jedoch vor zwei großen Herausforderungen: zum einen die Erzielung einer effizienten Upconversion-Fähigkeit, die eine Dotierung mit hochkonvertierenden Nanopartikeln (UCNPs) erfordert, und zum anderen die Aufrechterhaltung einer hohen Transparenz. Die Einarbeitung von Nanopartikeln in Polymere verändert jedoch deren optische Eigenschaften, sodass 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, die eine UCNP-Integration von 7–9 % erreichten und gleichzeitig eine Transparenz von über 90 % im sichtbaren Spektrum aufwiesen. Darüber hinaus zeigten die UCLs eine zufriedenstellende optische Leistung, Hydrophilie und Biokompatibilität. Versuchsergebnisse zeigten, dass sowohl Mausmodelle als auch menschliche Träger nicht nur NIR-Licht erkennen, sondern auch dessen zeitliche Frequenzen unterscheiden konnten.
Noch beeindruckender ist die Entwicklung eines tragbaren Brillensystems mit integrierten UCLs und optimierter optischer Bildgebung, das die Einschränkung überwindet, dass herkömmliche UCLs dem Benutzer nur eine grobe Wahrnehmung von NIR-Bildern ermöglichen. Dieser Fortschritt ermöglicht es Benutzern, NIR-Bilder mit einer räumlichen Auflösung wahrzunehmen, die mit dem Sehen im sichtbaren Licht vergleichbar ist, und ermöglicht so eine genauere Erkennung komplexer NIR-Muster.
Um der weit verbreiteten Präsenz multispektralen NIR-Lichts in natürlichen Umgebungen besser gerecht zu werden, ersetzten Forscher herkömmliche UCNPs durch trichromatische UCNPs und entwickelten so trichromatische Upconversion-Kontaktlinsen (tUCLs). Diese ermöglichten es dem Träger, drei verschiedene NIR-Wellenlängen zu unterscheiden und ein breiteres NIR-Farbspektrum wahrzunehmen. Durch die Integration von Farb-, Zeit- und Rauminformationen ermöglichten tUCLs die präzise Erkennung mehrdimensionaler NIR-kodierter Daten und boten eine verbesserte spektrale Selektivität und Entstörungsfähigkeit.
Abb. 2. Die Farbdarstellung verschiedener Muster (simulierte reflektierende Spiegel mit unterschiedlichen Reflexionsspektren) unter sichtbarer und NIR-Beleuchtung, betrachtet durch das tragbare Brillensystem mit integrierten tUCLs. (Bild vom Team von Prof. XUE)
Abb. 3. UCLs ermöglichen die menschliche Wahrnehmung von NIR-Licht in zeitlichen, räumlichen und chromatischen Dimensionen. (Bild vom Team von Prof. XUE)
Diese Studie, die eine tragbare Lösung für das NIR-Sehen beim Menschen durch UCLs demonstrierte, lieferte einen Proof of Concept für das NIR-Farbsehen und eröffnete vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Sicherheit, Fälschungsschutz und Behandlung von Farbsehschwächen.
Link zum Artikel:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Geschrieben von XU Yehong, SHEN Xinyi, herausgegeben von ZHAO Zheqian)
Beitragszeit: 07.06.2025