光線被應用於醫療成像、診斷甚至疾病治療,但是外部施加的雷射光只能穿透人體不超過1公分,甚至有時候只能穿透幾微米(micron),端看光線與目標人體組織的濁度(turbidity,不透明度);將傳統光纖植入人體能讓治療光線接觸目標組織,但光纖事後必須以手術取出,也會破壞周圍組織,也可能在移除時發生破裂的危險。

為此美國賓州大學(Pennsylvania State University)的電子工程與生物材料工程師們,開發了一種能在人體內照射任何波長光線的新方法,而且據說是首創以檸檬酸鹽(citrate)生物可分解軟性聚合物製作出的步階(step-index)光纖。

具體而言,這種新型光纖是以檸檬酸系(citric-acid-based)的有機聚合物製成,是生物可分解的(也就是說在治療程序完成後可安全留在人體內),而且能以導電核心與不透明包覆材料製造,以在人體內任何地方提供各種波長的光線,實現精確的治療。

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圖右為光源,左邊為檸檬酸鹽光纖
(來源:Pennsylvania State University)

賓州大學生物工程教授Jian Yang接受EE Times訪問時表示,光線是醫療領域被廣泛應用的工具:「例如我們的檸檬酸鹽生物可分解光纖,就能應用於在人體內、傳遞可切除腫瘤的雷射光;這種光纖也能傳送人體組織深處的影像以供疾病診斷,或是用以監測臨床治療的效果。另一個應用案例是傳遞光線到人體以激發癌症治療藥物,即光動力療法(photodynamic therapy)。」

檸檬酸鹽光纖能被用於重複執行所需的治療程序,然後留在人體內等待使用生命週期終結就會安全地被生物分解;這種光纖也能被打造為低耗損、軟性或是具備可變的折射率,限制光線只在特定區域發光,以破壞腫瘤或是刺激神經元。這種光纖也能搭配不同核心以支援螢光感測、組織成像、傳遞液體藥物,或是精確施放具時效性藥物的奈米粒子。

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正傳遞光線之檸檬酸鹽光纖側面圖
(來源:Pennsylvania State University)

「我們的光纖是用檸檬酸系聚合物製作,這類聚合物有許多官能基(functional group),可應用於藥物複合體(drug conjugation,綁定某個分子與某種毒素使其變得無害);」Yang表示:「藥物能被密封於步階光纖的包覆層,我們也能打造與固態光纖並列的中空通道,從外部將藥物傳遞至人體內的植入位置。」

這項技術仍在發展初期階段,研究人員已經在實驗室證實了光纖的可行性,接下來將進一步最佳化材料並改善製造程序以延長其使用壽命,還有實現低耗損光纖以及具備各種特殊功能的光纖;賓州大學電子工程系教授Zhiwen Liu表示:「我們也將開始研究生物與生物醫療應用。」

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檸檬酸鹽光纖與治療用雷射耦合的輸出圖形
(來源:Pennsylvania State University)

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Implantable Fiber Diagnoses, Treats, Biodegrades in Place,by R. Colin Johnson)