研究简介：光疗在医学中有着广泛的应用，包括光学诊断、激光手术以及光激活治疗等。然而，目前的体内光疗技术在光的可控性、适应性（包括光谱、面积、深度和强度）方面仍面临重大挑战。尤其是对于深部组织和器官的光疗，外部光源很难到达目标部位，且现有的植入式光疗设备在光的分布和组织损伤方面存在局限性。因此，开发一种能够安全、精确且广泛应用于体内光疗的新型光子设备显得尤为重要。


研究人员设计了一种名为iCarP的光子贴片，它由一个可生物降解的透明聚酯（PMCL）贴片和一个嵌入其中的可移除的锥形光纤（TOF）组成，两者之间存在一个微米级的空气间隙。这种设计利用了TOF端部的光衍射、空气间隙中的双折射以及贴片内的反射，实现了类似灯泡的照明效果，能够将光导向目标组织。研究人员通过体外实验、计算机模拟和体内实验来评估iCarP的光散射效率、光控能力和在不同光疗中的适用性。研究表明iCarP能够实现大面积、高强度、宽光谱、连续或脉冲式的深度穿透照明，且无需穿透目标组织。在小鼠肿瘤光热和光动力治疗以及大鼠心肌梗死光合作用治疗模型中，iCarP展示了其对不同功能和吸收波长的光敏剂的兼容性，并且与临床相关的光纤结构相比，iCarP的光散射效果能够改善治疗结果。


此外，iCarP在机械挑战性较大的心肌上表现出稳定的照明能力，并且在体内实验中成功移除了TOF。本研究不仅在技术上取得了创新，还为未来体内光疗的临床应用提供了新的可能性。iCarP的设计和应用展示了其在提高光疗效果、减少组织损伤和提高患者安全性方面的潜力。随着进一步的研究和开发，这种光子贴片可能会在心血管疾病、肿瘤治疗以及其他需要光疗干预的领域发挥重要作用。


Unisense微电极系统的应用


Unisense氧气微电极被用于监测藻类（Chlorella）悬浮液中的溶解氧浓度。首先将iCarP（光子贴片）和Unisense溶解氧传感器浸入40毫升藻类悬浮液（浓度为2×10^7/mL）中。藻类悬浮液被装在一个离心管中，并用锡箔密封和包裹，以防止氧气泄漏和阻挡环境光。iCarP连接到一个660纳米波长、55毫瓦输出功率的激光二极管上，用于提供光照。在光照条件下，Unisense微电极实时监测藻类悬浮液中的溶解氧浓度。通过记录光照过程中溶解氧浓度的变化，研究人员能够评估藻类在光照条件下的光合作用效率。通过监测光照过程中藻类悬浮液中溶解氧浓度的变化，帮助研究人员评估iCarP产生的光照是否能够有效促进藻类的光合作用。实验结果显示，在iCarP的光照下，藻类的光合作用效率显著提高，产生了更多的氧气。并验证了iCarP光子贴片的光照效果。这表明iCarP能够有效地将光能量传递到目标区域，并且光照强度和分布足以支持光合作用的进行。



实验结果


实验结果表明，iCarP能够实现大面积、高强度、宽光谱、连续或脉冲式的深度穿透照明，且无需穿透目标组织。在小鼠肿瘤光热和光动力治疗以及大鼠心肌梗死光合作用治疗模型中，iCarP展示了其对不同功能和吸收波长的光敏剂的兼容性，并且与临床相关的光纤结构相比，iCarP的光散射效果能够改善治疗结果。此外，iCarP在机械挑战性较大的心肌上表现出稳定的照明能力，并且在体内实验中成功移除了TOF。研究人员还在犬类胸腔镜手术中测试了iCarP与微创植入和照明的兼容性。

图1、光散射光子器件iCarP的设计、功能和示范应用，用于内脏器官和组织的大面积、深入照明。a iCarP的结构和关键组件。在锥形光纤（TOF）和波导贴片基板之间创建了一个空气间隙。TOF的衍射，空气间隙的TOF/空气和空气/贴片界面的双重折射，有助于与没有空气间隙的平面光纤配置以及没有空气间隙的TOF相比，产生更大的光散射，特别是横向照明。b光纤单独（在心肌上方或内部）和iCarP的照明效果比较。iCarP支持非侵入性、深度和大面积的照明。c、d iCarP对注射到心肌内的嘧啶藻的照明诱导了心肌梗死部位的原位光合作用及其在心肌梗死治疗中的应用。

图2、iCarP的制备和光散射性能。a TOF在PMCL贴片中的制备。产生了一个空气间隙以获得iCarP。b–d平面光纤光子器件（FEOF）（b）、嵌入PMCL贴片中的TOF（c）和iCarP（d）。（i）器件的示意图，（ii）器件的显微图（代表性大于3个器件），比例尺=100微米，c的插图：锥形光纤尖端，比例尺=2微米，（iii、iv）器件的正视图（iii）和侧视图（iv）以及激发的荧光，比例尺=5毫米。*表示iCarP正向方向的暗区域。比例尺=5毫米。e光子器件发出的光的模拟电场强度分布，（i）PMCL中没有空气间隙的TOF，（ii）空气中的TOF，（iii）具有d=5微米的iCarP，（iv）具有d=120微米的iCarP。f顶部：iCarP中空气间隙和TOF尖端的轴对称横截面图，底部：横截面的百分比光功率（Ps）与总功率（P）之间的关系以及d的关系，插图：局部光路图，（z：TOF尖端到空气间隙尖端的距离；αt：空气/PMCL界面的切线平面与TOF轴向方向之间的角度；αt’：切线平面法线与TOF轴向方向之间的角度；αi：入射光的发散角；θ1：空气侧的入射角；θ2：PMCL侧的折射角；P：空气间隙的总光功率；Ps：正向传播区域的光功率）。g iCarP照明诱导的嘧啶藻氧产生的检测方案：iCarP（左）和TOF（右）处于“开启”状态，浸入嘧啶藻悬浮液（绿色），并监测氧产生。h iCarP或TOF照明诱导的嘧啶藻氧累积产生，以及在黑暗中。