中国科学技術大学（USTC）の薛天教授と馬玉謙教授が率いる研究チームは、複数の研究グループと共同で、アップコンバージョンコンタクトレンズ（UCL）を用いて人間の近赤外線（NIR）における時空間色覚を可能にすることに成功しました。この研究は、2025年5月22日（米国東部標準時）にCell誌オンライン版に掲載され、米国科学誌「Cell」のニュースリリースでも取り上げられました。セルプレス.
自然界では、電磁波は広範囲の波長にわたりますが、人間の目は可視光線と呼ばれる狭い範囲しか認識できないため、スペクトルの赤色の端を超える近赤外線は人間の目には見えません。
図1. 電磁波と可視光スペクトル（XUE教授チーム提供の画像）
2019年、薛天教授、馬玉謙教授、韓剛教授率いる研究チームは、アップコンバージョンナノマテリアルを動物の網膜に注入することで画期的な成果を達成し、哺乳類で初めて裸眼による近赤外線画像視覚を可能にしました。しかし、硝子体内注入はヒトへの適用範囲が限られているため、この技術の重要な課題は、非侵襲的な手段でヒトが近赤外線を知覚できるようにすることです。
ポリマー複合材料で作られたソフト透明コンタクトレンズはウェアラブルソリューションを提供しますが、UCLの開発には2つの主要な課題があります。1つは、高アップコンバージョンナノ粒子（UCNP）のドーピングを必要とする効率的なアップコンバージョン機能の実現、もう1つは高い透明性の維持です。しかし、ナノ粒子をポリマーに組み込むと光学特性が変化するため、高濃度と光学的透明性のバランスを取ることが困難です。
研究者らは、UCNPの表面改質と屈折率整合ポリマー材料のスクリーニングにより、可視スペクトルにおいて90%以上の透明性を維持しながら、7～9%のUCNPを集積するUCLを開発しました。さらに、UCLは良好な光学性能、親水性、生体適合性を示し、マウスモデルとヒト装着者の両方が近赤外線（NIR）を検出するだけでなく、その時間的周波数を識別できることが実験結果から示されました。
さらに注目すべきは、研究チームがUCLを統合し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することで、従来のUCLでは近赤外線画像を粗くしか認識できないという限界を克服したことです。この進歩により、ユーザーは可視光視覚に匹敵する空間解像度で近赤外線画像を認識できるようになり、複雑な近赤外線パターンをより正確に認識できるようになります。
自然環境中に広く存在する多波長近赤外線（NIR）への対応を強化するため、研究者らは従来のUCNPを三原色UCNPに置き換え、三原色アップコンバージョンコンタクトレンズ（tUCL）を開発しました。これにより、ユーザーは3つの異なるNIR波長を識別し、より広いNIR色スペクトルを認識できるようになりました。tUCLは、色、時間、空間情報を統合することで、多次元NIRエンコードデータを正確に認識し、スペクトル選択性と耐干渉性を向上させます。
図2. tUCLを内蔵したウェアラブル眼鏡システムを通して見た、可視光線および近赤外光照射下における様々なパターン（異なる反射スペクトルを持つ模擬反射鏡）の色の見え方。（画像はXUE教授チーム提供）
図3. UCLは、人間が時間的、空間的、そして色彩的な次元で近赤外線を知覚することを可能にします。（画像はXUE教授チーム提供）
この研究は、UCL を通じて人間の NIR 視覚のためのウェアラブル ソリューションを実証し、NIR 色覚の概念実証を提供し、セキュリティ、偽造防止、色覚異常の治療における有望なアプリケーションを開拓しました。
論文リンク:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
（文：徐葉紅、沈信義、編集：趙哲謙）
投稿日時: 2025年6月7日