研究簡(jiǎn)介：光療在醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，包括光學(xué)診斷、激光手術(shù)以及光激活治療等。然而，目前的體內(nèi)光療技術(shù)在光的可控性、適應(yīng)性（包括光譜、面積、深度和強(qiáng)度）方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。尤其是對(duì)于深部組織和器官的光療，外部光源很難到達(dá)目標(biāo)部位，且現(xiàn)有的植入式光療設(shè)備在光的分布和組織損傷方面存在局限性。因此，開發(fā)一種能夠安全、精確且廣泛應(yīng)用于體內(nèi)光療的新型光子設(shè)備顯得尤為重要。

研究人員設(shè)計(jì)了一種名為iCarP的光子貼片，它由一個(gè)可生物降解的透明聚酯（PMCL）貼片和一個(gè)嵌入其中的可移除的錐形光纖（TOF）組成，兩者之間存在一個(gè)微米級(jí)的空氣間隙。這種設(shè)計(jì)利用了TOF端部的光衍射、空氣間隙中的雙折射以及貼片內(nèi)的反射，實(shí)現(xiàn)了類似燈泡的照明效果，能夠?qū)⒐鈱?dǎo)向目標(biāo)組織。研究人員通過體外實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來評(píng)估iCarP的光散射效率、光控能力和在不同光療中的適用性。研究表明iCarP能夠?qū)崿F(xiàn)大面積、高強(qiáng)度、寬光譜、連續(xù)或脈沖式的深度穿透照明，且無需穿透目標(biāo)組織。在小鼠腫瘤光熱和光動(dòng)力治療以及大鼠心肌梗死光合作用治療模型中，iCarP展示了其對(duì)不同功能和吸收波長(zhǎng)的光敏劑的兼容性，并且與臨床相關(guān)的光纖結(jié)構(gòu)相比，iCarP的光散射效果能夠改善治療結(jié)果。

此外，iCarP在機(jī)械挑戰(zhàn)性較大的心肌上表現(xiàn)出穩(wěn)定的照明能力，并且在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中成功移除了TOF。本研究不僅在技術(shù)上取得了創(chuàng)新，還為未來體內(nèi)光療的臨床應(yīng)用提供了新的可能性。iCarP的設(shè)計(jì)和應(yīng)用展示了其在提高光療效果、減少組織損傷和提高患者安全性方面的潛力。隨著進(jìn)一步的研究和開發(fā)，這種光子貼片可能會(huì)在心血管疾病、腫瘤治療以及其他需要光療干預(yù)的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense氧氣微電極被用于監(jiān)測(cè)藻類（Chlorella）懸浮液中的溶解氧濃度。首先將iCarP（光子貼片）和Unisense溶解氧傳感器浸入40毫升藻類懸浮液（濃度為2×10^7/mL）中。藻類懸浮液被裝在一個(gè)離心管中，并用錫箔密封和包裹，以防止氧氣泄漏和阻擋環(huán)境光。iCarP連接到一個(gè)660納米波長(zhǎng)、55毫瓦輸出功率的激光二極管上，用于提供光照。在光照條件下，Unisense微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藻類懸浮液中的溶解氧濃度。通過記錄光照過程中溶解氧濃度的變化，研究人員能夠評(píng)估藻類在光照條件下的光合作用效率。通過監(jiān)測(cè)光照過程中藻類懸浮液中溶解氧濃度的變化，幫助研究人員評(píng)估iCarP產(chǎn)生的光照是否能夠有效促進(jìn)藻類的光合作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在iCarP的光照下，藻類的光合作用效率顯著提高，產(chǎn)生了更多的氧氣。并驗(yàn)證了iCarP光子貼片的光照效果。這表明iCarP能夠有效地將光能量傳遞到目標(biāo)區(qū)域，并且光照強(qiáng)度和分布足以支持光合作用的進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，iCarP能夠?qū)崿F(xiàn)大面積、高強(qiáng)度、寬光譜、連續(xù)或脈沖式的深度穿透照明，且無需穿透目標(biāo)組織。在小鼠腫瘤光熱和光動(dòng)力治療以及大鼠心肌梗死光合作用治療模型中，iCarP展示了其對(duì)不同功能和吸收波長(zhǎng)的光敏劑的兼容性，并且與臨床相關(guān)的光纖結(jié)構(gòu)相比，iCarP的光散射效果能夠改善治療結(jié)果。此外，iCarP在機(jī)械挑戰(zhàn)性較大的心肌上表現(xiàn)出穩(wěn)定的照明能力，并且在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中成功移除了TOF。研究人員還在犬類胸腔鏡手術(shù)中測(cè)試了iCarP與微創(chuàng)植入和照明的兼容性。

圖1、光散射光子器件iCarP的設(shè)計(jì)、功能和示范應(yīng)用，用于內(nèi)臟器官和組織的大面積、深入照明。a iCarP的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵組件。在錐形光纖（TOF）和波導(dǎo)貼片基板之間創(chuàng)建了一個(gè)空氣間隙。TOF的衍射，空氣間隙的TOF/空氣和空氣/貼片界面的雙重折射，有助于與沒有空氣間隙的平面光纖配置以及沒有空氣間隙的TOF相比，產(chǎn)生更大的光散射，特別是橫向照明。b光纖單獨(dú)（在心肌上方或內(nèi)部）和iCarP的照明效果比較。iCarP支持非侵入性、深度和大面積的照明。c、d iCarP對(duì)注射到心肌內(nèi)的嘧啶藻的照明誘導(dǎo)了心肌梗死部位的原位光合作用及其在心肌梗死治療中的應(yīng)用。

圖2、iCarP的制備和光散射性能。a TOF在PMCL貼片中的制備。產(chǎn)生了一個(gè)空氣間隙以獲得iCarP。b–d平面光纖光子器件（FEOF）（b）、嵌入PMCL貼片中的TOF（c）和iCarP（d）。（i）器件的示意圖，（ii）器件的顯微圖（代表性大于3個(gè)器件），比例尺=100微米，c的插圖：錐形光纖尖端，比例尺=2微米，（iii、iv）器件的正視圖（iii）和側(cè)視圖（iv）以及激發(fā)的熒光，比例尺=5毫米。*表示iCarP正向方向的暗區(qū)域。比例尺=5毫米。e光子器件發(fā)出的光的模擬電場(chǎng)強(qiáng)度分布，（i）PMCL中沒有空氣間隙的TOF，（ii）空氣中的TOF，（iii）具有d=5微米的iCarP，（iv）具有d=120微米的iCarP。f頂部：iCarP中空氣間隙和TOF尖端的軸對(duì)稱橫截面圖，底部：橫截面的百分比光功率（Ps）與總功率（P）之間的關(guān)系以及d的關(guān)系，插圖：局部光路圖，（z：TOF尖端到空氣間隙尖端的距離；αt：空氣/PMCL界面的切線平面與TOF軸向方向之間的角度；αt’：切線平面法線與TOF軸向方向之間的角度；αi：入射光的發(fā)散角；θ1：空氣側(cè)的入射角；θ2：PMCL側(cè)的折射角；P：空氣間隙的總光功率；Ps：正向傳播區(qū)域的光功率）。g iCarP照明誘導(dǎo)的嘧啶藻氧產(chǎn)生的檢測(cè)方案：iCarP（左）和TOF（右）處于“開啟”狀態(tài)，浸入嘧啶藻懸浮液（綠色），并監(jiān)測(cè)氧產(chǎn)生。h iCarP或TOF照明誘導(dǎo)的嘧啶藻氧累積產(chǎn)生，以及在黑暗中。