Forscher korrigieren Farbenblindheit mit 3D-gedruckten Brillen

Ein Forscherteam der Khalifa-Universität in den Verinigten Arabischen Emiraten hat ein neues Wearable entwickelt, das Menschen mit Farbenblindheit helfen könnte. Die Verwendung von Farbstoffen zur Entwicklung von Brillengläsern zur Korrektur von Farbenblindheit ist zwar nicht neu, aber das Team hat eine Methode entwickelt, die den 3D-Druck zur Herstellung maßgeschneiderter Brillen nutzt.

Dr. Haider Butt, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, Dr. Fahad Alam, Postdoctoral Fellow, Dr. Mohamed Elsherif, Postdoctoral Fellow, und Ahmed Salih, alle Fachbereich Maschinenbau, veröffentlichten ihre Ergebnisse in Advanced Engineering Materials. Diese Forschung inspirierte auch die Studenten Saif Abdulla Alnaqbi, Ali Saif Rashid Alshawi Aleghfeli, Rashid Ali Khalfan Bin Gahfan Al Ali und Mohammad Ali Mohamad Hussain Ali Alshamali zu einem Senior Design Project.

Zur Herstellung der Linsen wurde ein transparentes Harz verwendet, das mit zwei wellenlängenfilternden Farbstoffen gemischt wurde, um einen Tönungseffekt zu erzielen. Die Forscher verwendeten drei verschiedene Konzentrationen der Farbstoffe, um die Brillengläser individuell anzupassen, und verglichen ihre 3D-gedruckten Brillengläser mit handelsüblichen Produkten, die zur Behandlung von Farbsehschwäche (CVD) eingesetzt werden.

“Die patientenindividuelle Anpassung von Brillen für CVD ist nach wie vor eine Herausforderung, auch wenn die Forschung die Eigenschaften und Materialien der auf dem Markt erhältlichen CVD-Brillen deutlich verbessert hat”, so Dr. Butt.

Probleme bei der Unterscheidung bestimmter Farbtöne hindern Menschen daran, in Bereichen zu arbeiten, in denen die Farberkennung von entscheidender Bedeutung ist, können aber auch so alltägliche Auswirkungen haben wie die Entscheidung, ob eine Banane reif ist, oder die Auswahl passender Kleidung.

Die Netzhaut des Auges hat drei Arten von Zapfen: Einer nimmt blaues Licht wahr, ein anderer grünes und der dritte rotes. Diese Zapfen arbeiten zusammen und ermöglichen es dem Menschen, das gesamte Farbspektrum zu sehen, aber CVD ist eine vererbte Augenkrankheit, die diese Fähigkeit einschränkt. Rot-Grün-Farbenblindheit ist die am weitesten verbreitete Form von CVD, wobei die meisten Betroffenen auf Wearables angewiesen sind, um die Schwierigkeiten bei alltäglichen Aufgaben zu bewältigen. Das häufigste Wearable ist eine Art getöntes Glas.

Bei der Deuteranomalie, die vor allem bei Männern auftritt, reagiert der Photorezeptor, der für die Erkennung von grünem Licht zuständig ist, auf Licht, das mit Rot assoziiert wird. Dies kann durch rot getönte Brillengläser verbessert werden, die die Farben besser zur Geltung bringen. Bestimmte Farbstoffe können einige der Wellenlängen zwischen Grün und Rot, die die Fotorezeptoren verwirren, absorbieren und herausfiltern. Wenn sich die Farben weniger überschneiden, erhält das Gehirn ein deutlicheres Signal, das die Unterscheidung zwischen den Problemfarben erleichtert. Dieses Konzept lässt sich auch auf andere Formen von CVD übertragen.

Das KU-Team verwendete zwei Farbstoffe: Der eine blockierte die unerwünschten Wellenlängen für rot-grüne Patienten, während der andere die unerwünschten Wellenlängen für gelb-blaue Patienten filterte. Das Team verwendete beide Farbstoffe in seinen Brillengläsern, und bei Tests profitierten sowohl Probanden mit rot-grüner als auch mit gelb-blauer CVD von den Brillengläsern, was darauf hindeutet, dass sie bei der Behandlung beider CVD-Arten wirksam sind.

Brillen, die auf diesem Ansatz basieren, sind im Handel erhältlich, aber sie sind sperrig und können unbequem sein. Das KU-Forschungsteam entwickelte seine eigenen Brillengestelle für die Gläser und nutzte den 3D-Druck, um die Gestelle im Hinblick auf Komfort und Benutzerfreundlichkeit zu optimieren. Die 3D-gedruckten Brillen können wie andere Brillen zusammengefaltet werden, so dass sie für den Träger besser nutzbar sind.

Die Forschung zu CVD-Managementtechniken hat gezeigt, dass die Verwendung von Farbstoffen schwierig sein kann, da es zu Auslaugungs- und Toxizitätsproblemen kommen kann; das Forschungsteam hat dies jedoch getestet, um sicherzustellen, dass ihre Brille für den langfristigen Gebrauch sicher ist. Die Stabilität der Farbstoffe in den 3D-gedruckten Brillen wurde untersucht, indem die Brillen eine Woche lang in Wasser gelagert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass kein Farbstoff ins Wasser überging, was auf ihre Stabilität hindeutet. Die Gläser wurden außerdem eine weitere Woche lang offen bei Umgebungsbedingungen gelagert, was ihre Stabilität und Langlebigkeit beweist.

Auch ihre mechanischen Eigenschaften wurden sorgfältig geprüft. Ihre Flexibilität und Zugfestigkeit sind entscheidende Komponenten für die Quantifizierung ihrer Langlebigkeit und Haltbarkeit, und bei den Tests zeigten die Gläser eine ausgezeichnete Haltbarkeit, ohne zu brechen, selbst wenn sie gefaltet oder gebogen wurden.

“Unsere Ergebnisse zeigten, dass der 3D-Druck keinen Einfluss auf die Wellenlängenfiltereigenschaften der Farbstoffe hatte”, sagte Dr. Butt. “Tatsächlich blieben die Farbstoffe unverändert, als sie in das Harz integriert und 3D-gedruckt wurden. Als wir die optische Leistung unserer Brille mit kommerziellen Farbenblindheitsbrillen verglichen, zeigten unsere Ergebnisse, dass unsere 3D-gedruckte Brille unerwünschte Wellenlängen selektiver filtert als die kommerziell erhältlichen Optionen. Sie haben ein großes Potenzial für die Behandlung von Farbenblindheit und können aufgrund ihrer einfachen Herstellung und individuellen Anpassung auf jeden einzelnen Patienten zugeschnitten werden.”

Die Forschungsarbeit wurde von Sandooq Al Watan und Aldar Properties finanziert.

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