In den letzten Jahrzehnten wurden herkömmliche Kontaktlinsen zur Korrektur der Sehkraft eingesetzt. Die Fortschritte in der Herstellung haben das Linsenmaterial verändert: zunächst von Glas zu den Polymeren, die in gasdurchlässigen Kontaktlinsen verwendet werden, und dann zu den heutigen hochtechnisierten Hydrogelen, die in weichen Kontaktlinsen verwendet werden. Jüngste Fortschritte in der Nano- und Mikrofabrikation, die die Konstruktion extrem kleiner elektronischer, photonischer und sensorischer Geräte ermöglichen, versprechen, Kontaktlinsen auf die nächste Stufe der Raffinesse zu bringen, indem sie in funktionelle Mikrosysteme verwandelt werden. Insbesondere die Möglichkeit, Display- oder Sensorkomponenten in eine Kontaktlinse zu integrieren, wird die Konstruktion neuartiger Geräte ermöglichen.
Man denke beispielsweise an die Konstruktion einer Kontaktlinse, die ein durchsichtiges Display enthält, das über eine drahtlose Verbindung sowohl mit Strom versorgt als auch gesteuert wird. Die Auflösung des Displays kann so niedrig wie ein einziges Pixel oder so hoch wie technologisch möglich sein: Displays mit niedriger Auflösung können bei Spielen eingesetzt werden oder Gehörlosen helfen, Informationen auf sinnvolle Weise zu erhalten, während Displays mit hoher Auflösung als Ersatz für Mobiltelefon- oder PDA-Displays eingesetzt werden können. Eine interessante Anwendung ist die erweiterte Realität (Augmented Reality), bei der ein computergeneriertes Bild der Außenwelt überlagert wird. Dies könnte bei Spielen, in der Ausbildung und in der Fertigung Anwendung finden.
Interessant ist auch, dass die Oberfläche des Auges von lebenden Zellen bedeckt ist. Diese Zellen stehen in indirektem Kontakt mit dem Blutserum, so dass viele Biomarker von Interesse, die im Blut zu finden sind, auch im Tränenfilm nachgewiesen werden können: Für viele Moleküle, darunter auch Glukose, wurde bereits eine enge Korrelation zwischen den Blut-Serum-Tränenfilmwerten festgestellt. Eine Kontaktlinse, die mit einer Reihe von Biosensoren ausgestattet ist und die biochemische Umgebung der Augenoberfläche kontinuierlich überwachen kann, wird ein unschätzbares Instrument zur Überwachung des Gesundheitszustands einer Person darstellen. Diese Überwachung kann auf völlig nicht-invasive Weise durchgeführt werden und ermöglicht den Zugang zu einer Datenerfassung, die der medizinischen Gemeinschaft bisher nicht zur Verfügung stand.
Die funktionelle Kontaktlinse, die ein Display oder eine Reihe von Miniatur-Biosensoren enthält, ist ein multifunktionales Mikrosystem, das die Integration einer Reihe von Funktionen und Komponenten erfordert. Verschiedene Einheiten wie Energiegewinnung, Antenne, drahtloser Datensender/-empfänger, Anzeigesteuerungsschaltung, optoelektronische Anzeigepixel, Biosensoren und Sensorausleseschaltungen müssen auf einem flexiblen, transparenten, dünnen Kunststoffsubstrat integriert werden, um das komplette System zu bilden. Die Mikroelektronikindustrie ist zwar in der Lage, jedes der oben genannten Teilsysteme zu produzieren, aber deutlich weniger in der Lage, sie zu einem funktionierenden System zu integrieren.
In den letzten Jahren hat unsere Gruppe eine Reihe von Mikrofertigungsverfahren auf der Grundlage der Selbstmontage entwickelt, die die Integration und den Aufbau eines komplexen multifunktionalen Mikrosystems auf einer unkonventionellen Plattform wie der hier behandelten Kontaktlinse ermöglichen. Die Selbstorganisation ist ein in der Natur allgegenwärtiger Prozess, der im biologischen Bereich zur Konstruktion komplizierter Strukturen, Geräte und Systeme über die Größenskala hinweg beiträgt. Im Gegensatz zu einem manuellen oder robotergesteuerten Prozess, der von oben nach unten gesteuert wird, finden bei der Selbstmontage verschiedene Teile des Systems spontan die richtige Position und verbinden sich, um die Struktur zu vervollständigen.1 Wir haben Verfahren zur Herstellung von Komponenten im Mikromaßstab wie Siliziumtransistoren2 , Leuchtdioden (LEDs) und Detektoren3 entwickelt, die in Massenproduktion hergestellt werden können und zur Teilnahme an einem Selbstmontageverfahren veranlasst werden. Mithilfe des Selbstmontageverfahrens konnten wir zeigen, dass einkristalline Siliziumschaltungen und optoelektronische Verbindungshalbleiter wie LEDs auf dünnen flexiblen Kunststoffen integriert und ordnungsgemäß betrieben werden können.
Die Selbstmontage ist eine Schlüsseltechnologie, die für die Konstruktion der oben erwähnten Kontaktlinsen erforderlich ist. Vor kurzem konnten wir eine weitere Schlüsseltechnologie aufzeigen, die für den Bau einer funktionellen Kontaktlinse erforderlich ist. In dieser Arbeit4 haben wir gezeigt, wie Metallverbindungen im Mikrometerbereich in ein dünnes, flexibles Kunststoffsubstrat eingearbeitet werden können (siehe Abbildung 1), wie die Struktur in ein biokompatibles Polymer eingekapselt werden kann und wie die eingekapselte Struktur mikrogeformt und in die Form einer Kontaktlinse gebracht werden kann. Wir haben diese Linsen bis zu 20 Minuten lang an lebenden Kaninchen getestet und keine nachteiligen Auswirkungen festgestellt.