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

研究人員設計了一種名為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)微米級的空氣間隙。這種設計利用了TOF端部的光衍射、空氣間隙中的雙折射以及貼片內的反射，實(shí)現了類(lèi)似燈泡的照明效果，能夠將光導向目標組織。研究人員通過(guò)體外實(shí)驗、計算機模擬和體內實(shí)驗來(lái)評估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能夠實(shí)現大面積、高強度、寬光譜、連續或脈沖式的深度穿透照明，且無(wú)需穿透目標組織。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展示了其對不同功能和吸收波長(cháng)的光敏劑的兼容性，并且與臨床相關(guān)的光纖結構相比，iCarP的光散射效果能夠改善治療結果。

此外，iCarP在機械挑戰性較大的心肌上表現出穩定的照明能力，并且在體內實(shí)驗中成功移除了TOF。本研究不僅在技術(shù)上取得了創(chuàng )新，還為未來(lái)體內光療的臨床應用提供了新的可能性。iCarP的設計和應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(zhù)進(jìn)一步的研究和開(kāi)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的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

Unisense微電極系統的應用

Unisense氧氣微電極被用于監測藻類(lèi)（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(lèi)懸浮液（濃度為2×10^7/mL）中。藻類(lèi)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(cháng)、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)監測藻類(lèi)懸浮液中的溶解氧濃度。通過(guò)記錄光照過(guò)程中溶解氧濃度的變化，研究人員能夠評估藻類(lèi)在光照條件下的光合作用效率。通過(guò)監測光照過(guò)程中藻類(lèi)懸浮液中溶解氧濃度的變化，幫助研究人員評估iCarP產(chǎn)生的光照是否能夠有效促進(jìn)藻類(lèi)的光合作用。實(shí)驗結果顯示，在iCarP的光照下，藻類(lèi)的光合作用效率顯著(zhù)提高，產(chǎn)生了更多的氧氣。并驗證了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區域，并且光照強度和分布足以支持光合作用的進(jìn)行。

實(shí)驗結果

實(shí)驗結果表明，iCarP能夠實(shí)現大面積、高強度、寬光譜、連續或脈沖式的深度穿透照明，且無(wú)需穿透目標組織。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展示了其對不同功能和吸收波長(cháng)的光敏劑的兼容性，并且與臨床相關(guān)的光纖結構相比，iCarP的光散射效果能夠改善治療結果。此外，iCarP在機械挑戰性較大的心肌上表現出穩定的照明能力，并且在體內實(shí)驗中成功移除了TOF。研究人員還在犬類(lèi)胸腔鏡手術(shù)中測試了iCarP與微創(chuàng )植入和照明的兼容性。

圖1、光散射光子器件iCarP的設計、功能和示范應用，用于內臟器官和組織的大面積、深入照明。a iCarP的結構和關(guān)鍵組件。在錐形光纖（TOF）和波導貼片基板之間創(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(méi)有空氣間隙的平面光纖配置以及沒(méi)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（在心肌上方或內部）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對注射到心肌內的嘧啶藻的照明誘導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正向方向的暗區域。比例尺=5毫米。e光子器件發(fā)出的光的模擬電場(chǎng)強度分布，（i）PMCL中沒(méi)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尖端的軸對稱(chēng)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(xiàn)平面與TOF軸向方向之間的角度；αt’：切線(xiàn)平面法線(xiàn)與TOF軸向方向之間的角度；αi：入射光的發(fā)散角；θ1：空氣側的入射角；θ2：PMCL側的折射角；P：空氣間隙的總光功率；Ps：正向傳播區域的光功率）。g iCarP照明誘導的嘧啶藻氧產(chǎn)生的檢測方案：iCarP（左）和TOF（右）處于“開(kāi)啟”狀態(tài)，浸入嘧啶藻懸浮液（綠色），并監測氧產(chǎn)生。h iCarP或TOF照明誘導的嘧啶藻氧累積產(chǎn)生，以及在黑暗中。