USTC、コンタクトレンズ技術により人のNIRカラービジョン実現

June, 26, 2025, Anhui--中国科学技術大学(USTC)のXUE Tian教授とMA Yuqian教授が率いる研究チームは、複数の研究グループと協力して、アップコンバージョンコンタクトレンズ(UCL)を通じて人間の近赤外線(NIR)時空間色覚を実現することに成功した。この研究は、2025年5月22日(米国東部標準時)にCell誌のオンライン版に掲載され、Cell Pressのニュースリリースで紹介された。

自然界では電磁波は広範囲の波長に及ぶが、人間の目は可視光と呼ばれる狭い部分しか知覚できないため、スペクトルの赤い端を超えた近赤外光は見えない。

2019年、XUE Tian教授、MA Yuqian教授、HAN Gang教授が率いるチームは、アップコンバージョンナノ材料を動物の網膜に注入することでブレークスルーを達成し、哺乳類で初めての裸眼近赤外画像ビジョン機能を可能にした。しかし、硝子体内注射はヒトへの適用性が限られているため、この技術の主な課題は、非侵襲的な手段でNIR光を人間が知覚できるようにすることにある。

高分子複合材料で作られた軟質透明コンタクトレンズはウェアラブルソリューションとなるが、UCLの開発には、高アップコンバージョンナノ粒子(UCNP)ドーピングが必要な効率的なアップコンバージョン能力の実現と、高い透明性の維持という2つの主要な課題がある。しかし、ナノ粒子をポリマに組み込むと、その光学特性が変化するため、高濃度と光学的透明度のバランスをとることが難しくなる。

UCNPsの表面改質と屈折率一致高分子材料のスクリーニングを通じて、研究チームは可視スペクトルの90%以上の透明性を維持しながら、7〜9%のUCNP統合を達成するUCLsを開発した。さらに、UCLsは十分な光学性能、親水性、生体適合性を示し、実験結果では、マウスモデルとヒト装着者の両方がNIR光を検出するだけでなく、その時間周波数も区別できることが示された。

さらに印象的なのは、研究チームがUCLｓと統合されたウェアラブル眼鏡システムを設計し、光学イメージングを最適化して、従来のUCLｓがユーザにNIR画像の粗い知覚しか提供しないという制限を克服したことである。この進歩により、ユーザは可視光線に匹敵する空間分解能でNIR画像を知覚できるようになり、複雑なNIRパターンをより正確に認識することが可能になる。

自然環境におけるマルチスペクトルNIR光の広範な存在にさらに対処するために、研究チームは従来のUCNPｓを三色UCNPｓに置き換えて、ユーザが3つの異なるNIR波長を区別し、より広いNIRカラースペクトルを知覚することを可能にした三色アップコンバージョンコンタクトレンズ(tUCLｓ)を開発した。tUCLｓは、色情報、時間情報、空間情報を統合することで、多次元NIRエンコードデータの正確な認識を可能にし、スペクトル選択性と干渉防止機能を向上させた。

この研究は、UCLｓを通じてヒトのNIR視覚のウェアラブルソリューションを実証し、NIRカラービジョンの概念実証を提供し、セキュリティ、偽造防止、および色覚異常の治療における有望なアプリケーションを開いた。