A biodegradable, flexible photonic patch for in vivo phototherapy  

一種用于體內(nèi)光療的可生物降解、柔性光子貼片

期刊：Nature Communications (2023年5月27日在線發(fā)表，DOI: 10.1038/s41467-023-38554-x)  

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究開發(fā)了一種名為 iCarP 的可生物降解柔性光子貼片，通過創(chuàng)新性地在錐形光纖（TOF）與聚酯貼片（PMCL）間構(gòu)建微米級空氣間隙，實現(xiàn)了非侵入性、大面積、深穿透的光照調(diào)控。iCarP 結(jié)合了光纖的衍射、空氣間隙的雙重折射及貼片內(nèi)反射，形成“燈泡式”照明模式，可將光高效導(dǎo)向目標(biāo)組織。實驗證明，iCarP 支持廣譜、高強度、連續(xù)/脈沖式光照，穿透深度達1.5 cm，適用于不同光敏劑的光療（如光熱治療、光合作用治療）。其兼容微創(chuàng)胸腔鏡手術(shù)植入，在跳動的心臟上穩(wěn)定工作，為內(nèi)臟器官的光學(xué)診療提供了安全、精準(zhǔn)的平臺。

 

研究目的

 

解決現(xiàn)有體內(nèi)光照技術(shù)難以兼顧 大面積、深穿透、非侵入性 的難題；開發(fā)一種可生物降解、柔性適配器官表面的光子器件，支持多種光療應(yīng)用（如腫瘤治療、心肌梗死修復(fù)）。

 

研究思路

 

器件設(shè)計：  

 

核心結(jié)構(gòu)：錐形光纖（TOF）嵌入可生物降解透明聚酯（PMCL）貼片，TOF與PMCL間預(yù)留可控微米級空氣間隙（圖1a）。  

光路優(yōu)化：空氣間隙（低折射率）與PMCL（高折射率，n=1.49）協(xié)同增強光散射，將前向光轉(zhuǎn)化為側(cè)向輻射（圖1a）。  

性能驗證：  

 

離體實驗：模擬光照分布（圖2e）、葉綠素光合產(chǎn)氧（圖2h）、離體心臟光照穿透（圖4d）。  

 

在體應(yīng)用：小鼠腫瘤光熱治療（圖4j,k）、大鼠心肌梗死光合治療（圖5c-f）、犬類微創(chuàng)植入（圖6b-d）。  

機制拓展：  

 

通過調(diào)控空氣間隙距離（d=5–25 μm）優(yōu)化散射效率（圖2f）。  

 

驗證多波長（405–808 nm）、脈沖/連續(xù)光照模式的兼容性（圖3a-d）。  

 

測量數(shù)據(jù)及其意義

 

（1）光散射性能（圖2）

數(shù)據(jù)：  

 

模擬顯示iCarP散射角達130°（圖2e），比平面光纖（20°）提升6.5倍。  

 

離體實驗：iCarP光照覆蓋直徑3 cm區(qū)域（圖4d），而傳統(tǒng)光纖僅覆蓋1.5 cm（圖4f）。  

 

意義：空氣間隙設(shè)計是擴大光照范圍的關(guān)鍵，為深層組織均勻照明提供基礎(chǔ)。  

 

（2）丹麥Unisense微電極數(shù)據(jù)（圖2h）

數(shù)據(jù)：  

 

iCarP光照下葉綠素懸浮液3小時累計產(chǎn)氧量達284.2 μmol/L，比錐形光纖（TOF）單獨光照高25%（圖2h）。  

 

研究意義：  

直接驗證生物效應(yīng)：Unisense微電極通過電化學(xué)傳感實時監(jiān)測溶解氧濃度，證明iCarP的光散射顯著提升光合作用效率。  

 

技術(shù)優(yōu)勢：高靈敏度（nmol/L級檢測）、動態(tài)記錄光照生物響應(yīng)，彌補了傳統(tǒng)光學(xué)檢測的間接性。  

 

應(yīng)用價值：為光驅(qū)動療法（如心肌梗死中的光合產(chǎn)氧）提供量化依據(jù)，證實iCarP的臨床轉(zhuǎn)化潛力。  

 

（3）腫瘤光熱治療（圖4j,k）

數(shù)據(jù)：  

 

iCarP光照5分鐘，腫瘤中心溫度達56°C，2 mm直徑區(qū)域＞45°C（圖4k）；傳統(tǒng)光纖僅49°C，1 mm區(qū)域＞45°C。  

 

H&E染色顯示iCarP組腫瘤壞死區(qū)域更大（圖4l）。  

 

意義：iCarP的大面積均勻光照提升熱療效率，為實體瘤治療提供優(yōu)化方案。  

 

（4）心肌梗死治療（圖5c-f）

數(shù)據(jù)：  

 

iCarP光照組（iCarP+/Light+）心肌細(xì)胞凋亡率最低（圖5d），心功能（LVEF）顯著改善（圖5f）。  

 

纖維化面積減少20%（圖5e）。  

 

意義：結(jié)合葉綠素的光合產(chǎn)氧，iCarP為缺血心肌提供局部氧供，促進組織修復(fù)。  

 

（5）微創(chuàng)植入兼容性（圖6）

數(shù)據(jù)：iCarP可通過1.2 cm套管針植入犬心臟（圖6a），光照穩(wěn)定（圖6d）。  

 

意義：證實iCarP適用于臨床微創(chuàng)手術(shù)，拓展其在腔鏡手術(shù)中的應(yīng)用場景。  

 

結(jié)論

 

器件創(chuàng)新：iCarP通過 空氣間隙+錐形光纖+可降解貼片 三重設(shè)計，實現(xiàn)非侵入性、大面積（直徑3 cm）、深穿透（1.5 cm）光照。  

 

性能優(yōu)勢：  

 

支持405–808 nm廣譜光及脈沖/連續(xù)模式（圖3）。  

 

光照穩(wěn)定性高（耐受＞10萬次心臟搏動）。  

應(yīng)用價值：  

 

腫瘤光熱治療：提升溫度均勻性及壞死區(qū)域（圖4）。  

 

心肌修復(fù)：光合作用提升局部氧合，減少纖維化（圖5）。  

 

 

微創(chuàng)兼容：胸腔鏡植入成功（圖6），為臨床轉(zhuǎn)化鋪路。  

生物安全性：PMCL材料可降解，移除光纖后無殘留。  

 

研究意義與展望

 

iCarP 為內(nèi)臟器官的光學(xué)診療提供了 柔性、可降解、微創(chuàng)兼容 的新工具，尤其適用于動態(tài)器官（如心臟）及深部組織的光療。未來可拓展至光遺傳學(xué)、光控藥物釋放等場景。需進一步研究長期生物相容性及連續(xù)光照的安全性。