“濕法-動(dòng)態(tài)聚合”聯(lián)用紡絲構(gòu)筑水凝膠光纖及其光醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究

“濕法—?jiǎng)討B(tài)聚合”聯(lián)用紡絲構(gòu)筑水凝膠光纖及其光醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究摘要：水凝膠光纖在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本研究采用濕法動(dòng)態(tài)聚合聯(lián)用紡絲技術(shù)構(gòu)筑了水凝膠光纖，并分別進(jìn)行了材料表征、傳輸性能測(cè)試、生物相容性實(shí)驗(yàn)和光熱治療實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，所制備的水凝膠光纖具有一定的濕度敏感性和響應(yīng)性，能夠在不同濕度環(huán)境下調(diào)控水凝膠內(nèi)部的折射率，具有較好的光導(dǎo)性能；同時(shí)，水凝膠光纖具有良好的生物相容性和光熱治療效果，在體外和體內(nèi)均表現(xiàn)出較好的生物應(yīng)用潛力。本研究為水凝膠光纖的應(yīng)用提供了一定的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：水凝膠光纖；動(dòng)態(tài)聚合；光醫(yī)學(xué)；生物相容性；光熱治療。

“濕法—?jiǎng)討B(tài)聚合”聯(lián)用紡絲構(gòu)筑水凝膠光纖及其光醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究

引言：

水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子材料，通常具有良好的水溶性、滲透性、生物相容性和生物活性，因此在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]，如組織工程、醫(yī)用器械和醫(yī)療用品。同時(shí)，光學(xué)波導(dǎo)技術(shù)是一種重要的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像和治療手段，其不同參數(shù)的光源可作為生物組織的光學(xué)激發(fā)源，使其產(chǎn)生不同種類的光學(xué)效應(yīng)，如熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)[2][3]。

水凝膠光纖是一種應(yīng)用廣泛的光波導(dǎo)器件，具有較強(qiáng)的生物相容性和生物響應(yīng)性，能夠在生物組織中進(jìn)行準(zhǔn)確定位的光熱治療[4][5]。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)、高分子材料和生物醫(yī)學(xué)光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始探索利用新型材料和成型技術(shù)構(gòu)筑高性能的水凝膠光纖，并在其上開(kāi)展光學(xué)傳輸、生物檢測(cè)和光熱治療等方面的研究[6]。然而，目前的水凝膠光纖構(gòu)筑技術(shù)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）傳統(tǒng)的鑄造或拉伸法制備水凝膠光纖的成本較高；

（2）傳統(tǒng)的靜態(tài)聚合法制備的水凝膠光纖具有較高的折射率和溫度穩(wěn)定性，但是其無(wú)法實(shí)現(xiàn)水凝膠材料內(nèi)部折射率的可調(diào)控性；

（3）目前水凝膠光纖的材料定制和成型過(guò)程仍存在技術(shù)瓶頸，無(wú)法滿足不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求。

因此，本研究提出采用“濕法-動(dòng)態(tài)聚合”聯(lián)用紡絲技術(shù)構(gòu)筑水凝膠光纖，并在其上開(kāi)展光傳輸性能、生物相容性和光熱治療等方面的研究，以期給予水凝膠光纖在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更好的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)部分：

1.材料制備

（1）水凝膠材料的準(zhǔn)備

選擇2-羥乙基丙烯酸（2-hydroxyethylacrylate，簡(jiǎn)稱HEA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（polyethyleneglycoldimethacrylate，簡(jiǎn)稱PEGDMA）作為單體，以液氮為冷卻劑，采用濕法動(dòng)態(tài)聚合技術(shù)在紫外光下聚合制備水凝膠材料。

（2）光纖的制備

將動(dòng)態(tài)聚合制備好的水凝膠材料溶解于丙酮中，制備含水凝膠材料的有機(jī)溶液，并將有機(jī)溶液與聚丙烯腈（polyacrylonitrile，簡(jiǎn)稱PAN）作為載體纖維材料，通過(guò)聯(lián)用紡絲技術(shù)制備水凝膠光纖。

2.材料表征

（1）水凝膠材料的紅外光譜表征

采用紅外光譜儀對(duì)聚合物材料進(jìn)行表征，其吸收峰位于1730cm-1附近，對(duì)應(yīng)丙烯酸酯的C=O伸縮振動(dòng)；

（2）光纖的形態(tài)表征

采用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）分別表征水凝膠光纖的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)。

3.光傳輸性能

采用可見(jiàn)光和近紅外光手段測(cè)試水凝膠光纖的光學(xué)傳輸性能，利用高精度溫度控制裝置控制光纖內(nèi)部溫度，測(cè)試水凝膠光纖的溫度響應(yīng)性和折射率變化。

4.生物相容性實(shí)驗(yàn)

采用體外和體內(nèi)的方法分別對(duì)水凝膠光纖的生物相容性進(jìn)行測(cè)試，首先通過(guò)細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表征水凝膠材料對(duì)不同類型細(xì)胞的生物毒性；其次通過(guò)動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，鑒定水凝膠材料和水凝膠光纖的生物相容性和毒性。

5.光熱治療實(shí)驗(yàn)

利用水凝膠光纖進(jìn)行生物組織的光熱治療實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同的光源參數(shù)調(diào)節(jié)水凝膠光纖內(nèi)部溫度，進(jìn)而在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的光學(xué)治療。

結(jié)論：

本研究采用“濕法-動(dòng)態(tài)聚合”聯(lián)用紡絲技術(shù)成功構(gòu)筑了具有一定濕度敏感性和響應(yīng)性的水凝膠光纖，并充分評(píng)估了其光傳輸性能、生物相容性和光熱治療效果。結(jié)果表明，所制備的水凝膠光纖具有光導(dǎo)性能好，生物相容性佳，光熱治療效果良好等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像和治療方面具有一定的應(yīng)用潛力。本研究還探究了聯(lián)用紡絲技術(shù)制備水凝膠光纖的機(jī)理和構(gòu)筑參數(shù)，為水凝膠光纖的大規(guī)模制備和定制提供了一定的技術(shù)支撐本研究的成功構(gòu)筑具有一定濕度敏感性和響應(yīng)性的水凝膠光纖，能夠?yàn)樯镝t(yī)學(xué)光學(xué)成像和治療方面的應(yīng)用提供新的選擇。通過(guò)采用SEM和AFM技術(shù)對(duì)水凝膠光纖的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，可以發(fā)現(xiàn)該光纖表面光滑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，且具有一定的孔隙結(jié)構(gòu)。采用可見(jiàn)光和近紅外光對(duì)水凝膠光纖的光傳輸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明水凝膠光纖具有良好的光導(dǎo)性能，同時(shí)還采用高精度溫度控制裝置測(cè)量水凝膠光纖的溫度響應(yīng)性和折射率變化。在生物相容性實(shí)驗(yàn)方面，采用體外和體內(nèi)的方法對(duì)水凝膠光纖進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明其生物相容性良好，不具有明顯的細(xì)胞毒性和動(dòng)物毒性。另外，借助水凝膠光纖進(jìn)行光熱治療實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確定位的光學(xué)治療?？偟膩?lái)說(shuō)，該研究通過(guò)對(duì)聯(lián)用紡絲技術(shù)構(gòu)筑水凝膠光纖的機(jī)理和構(gòu)筑參數(shù)進(jìn)行探究，為水凝膠光纖的大規(guī)模制備和定制提供了技術(shù)支撐。這種具有一定濕度敏感性和響應(yīng)性的水凝膠光纖具有廣泛的應(yīng)用前景，未來(lái)還有很大的優(yōu)化和發(fā)展空間此外，水凝膠光纖還具有可調(diào)節(jié)的濕度響應(yīng)性能，可以通過(guò)改變其制備參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度敏感性的調(diào)節(jié)，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。比如在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，隨著濕度的變化，許多物理化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)過(guò)程也會(huì)發(fā)生變化，因此具有濕度響應(yīng)性的光纖可以作為一種非常有用的生物傳感器，用于監(jiān)測(cè)和測(cè)量生物體內(nèi)的濕度變化。

此外，在基于光熱效應(yīng)的治療中，水凝膠光纖可以用于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的光學(xué)治療。在這種治療方式中，光纖通過(guò)將光能轉(zhuǎn)移給靶區(qū)域，從而使得該區(qū)域的溫度升高并達(dá)到治療效果。與傳統(tǒng)的治療方式相比，這種光學(xué)治療具有治療深度較淺、對(duì)周圍組織傷害較小等優(yōu)點(diǎn)，因而在腫瘤治療等方面具有極大的潛力。

總體而言，通過(guò)本研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，具有一定濕度敏感性和響應(yīng)性的水凝膠光纖具有非常廣泛的應(yīng)用潛力，在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像、傳感和治療等方面都具有非常大的前景。未來(lái)，該光纖的研究和發(fā)展有望進(jìn)一步推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，為人類健康事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)除了在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，水凝膠光纖還具有其他重要的應(yīng)用。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，濕度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。許多環(huán)境問(wèn)題，比如建筑物內(nèi)的霉菌、食品、藥品在儲(chǔ)存過(guò)程中的質(zhì)量變化等都與濕度有關(guān)。因此，具有濕度敏感性的光纖可以作為一種非常有用的監(jiān)測(cè)和測(cè)量工具。利用這種光纖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和測(cè)量，從而為環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理提供幫助。同時(shí)，濕度敏感性的光纖也可以用于氣象監(jiān)測(cè)，如監(jiān)測(cè)大氣濕度、監(jiān)測(cè)降雨等。

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，濕度也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。許多工業(yè)過(guò)程都需要在特定的濕度范圍內(nèi)進(jìn)行，如果濕度超出一定范圍，就會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，具有濕度敏感性的光纖可以作為一種非常有用的監(jiān)測(cè)和測(cè)量工具，可以幫助企業(yè)掌握生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的濕度變化情況，避免生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題和效率低下的情況。

此外，水凝膠光纖還可以應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域。近年來(lái)，智能家居設(shè)備越來(lái)越受歡迎，如空氣凈化器、空調(diào)等，這些設(shè)備在工作過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度。利用具有濕度敏感性的光纖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，從而為人們提供一個(gè)更加智能、舒適的生活環(huán)境。

總之，具有濕度敏感性的水凝膠光纖具有廣泛的應(yīng)用前景。未來(lái)，隨著光纖