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醫(yī)用光子晶體及其應(yīng)用

2024-02-22 17:21:33
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所屬領(lǐng)域:
生物、醫(yī)藥及醫(yī)療機(jī)械
項目成果/簡介:

光子晶體是一種在一維、二維或三維高度有序排列、具有光子帶隙的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。光波在其中傳播時出現(xiàn)光子帶隙,落入帶隙的光將無法繼續(xù)傳播,也被稱為“光子禁帶”。自然界中光子晶體主要存在形式有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等,絕大多數(shù)光子晶體需要人工制備。

光子晶體因其具有特殊的結(jié)構(gòu)色、周期性納微結(jié)構(gòu)及光子帶隙,可以對光的傳播進(jìn)行調(diào)控。其特殊可控的顏色變化,使其在新型傳感器以及顏料等方面有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?/span>

隨著中國醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展和糖尿病患者的增多,血糖儀行業(yè)快速發(fā)展,近些年中國政府相繼出臺政策扶持血糖儀等醫(yī)療儀器行業(yè),例如《加強(qiáng)集中帶量采購中選醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)管工作》《“十四五”醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》,保證醫(yī)療器械行業(yè)健康良好的發(fā)展,未來中國血糖儀行業(yè)在政策利好的背景下,發(fā)展前景良好。

目前主流的血糖檢測為侵入式的檢測,頻繁創(chuàng)傷采血影響糖尿病患者的依從性。為開發(fā)無創(chuàng)葡萄糖傳感技術(shù),結(jié)合光子晶體的光學(xué)特性和凝膠的刺激響應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)對尿液中葡萄糖的特異性傳感,且基于同源的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)其他各種體液(例如汗液、唾液)的各種特異性物質(zhì)(例如肌酐、尿酸、乳酸)的快速非侵入式檢測,具有巨大的市場潛力。

此外,光子晶體的醫(yī)用應(yīng)用并不只局限于上述檢測,通過對于移動智能設(shè)備、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)的綜合應(yīng)用,光子晶體可以用于多方位的健康監(jiān)測、細(xì)菌病毒的高通量快速檢測(例如新冠病毒、HIV病毒等)以及其他醫(yī)用設(shè)備的使用監(jiān)測。

圖1.課題組研制的光子晶體尿糖檢測原型機(jī)

圖2.課題組研制的壓力響應(yīng)光子晶體

應(yīng)用范圍:

糖尿病患者的尿糖檢測、膀胱內(nèi)壓強(qiáng)監(jiān)測、導(dǎo)尿管壓力監(jiān)測等醫(yī)療器械,以及環(huán)境樣本快速篩查、食品安全相關(guān)污染檢測等相關(guān)領(lǐng)域。

效益分析:

傳統(tǒng)的葡萄糖檢測方法主要為血檢,由于需要使用采血儀并且采樣次數(shù)多,其帶來的痛疼感以及可能導(dǎo)致的靜脈炎使得患者依從性低;血糖檢測的另一種策略是使用連續(xù)血糖監(jiān)測系統(tǒng)(CGM),但是皮下植入會導(dǎo)致疼痛和感染。而在尿糖檢測中,最常見的方法是試紙干化學(xué)法,需要使用葡萄糖氧化酶(GOD)和過氧化氫酶(CAT),原理是利用GOD將β-D-葡萄糖氧化成過氧化氫,再在過氧化氫酶作用下分解出高活性氧將試紙條中的無色化合物氧化以顯色,該法存在酶易失活以及反應(yīng)結(jié)果易被干擾的缺點(diǎn)。因此開發(fā)非侵入式、非酶法、定量檢測葡糖濃度的新傳感器是非常有必要的。而光子晶體尿糖傳感器是一種無創(chuàng)檢測技術(shù),制作成本較低,制作周期短,使用方便,在市場上具有較強(qiáng)的競爭力,尤其在家用市場可以廣泛的推廣。光子晶體尿糖傳感器的推廣不僅會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益,還會產(chǎn)生巨大的社會效益。

同時,把該技術(shù)同智能手機(jī)和大數(shù)據(jù)結(jié)合,可以開發(fā)家用尿常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)。針對新冠病毒、猴病毒、HIV等病毒,已開發(fā)了相關(guān)的環(huán)境樣本快速篩查技術(shù),擬盡快研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。以上技術(shù)還被應(yīng)用于Ecoil、抗生素、有機(jī)磷農(nóng)殘等食品安全相關(guān)污染的檢測。以上技術(shù)將用于多種可穿戴傳感器的研發(fā),其中尿糖傳感器在浙江省某醫(yī)院、西安某醫(yī)院、北京某醫(yī)院已開展了百例以上臨床實(shí)驗,相比于傳統(tǒng)檢測法有更高的準(zhǔn)確性。這種實(shí)時、便捷、非侵入的檢測方式,可以極大地改善糖尿病患者的生活質(zhì)量。

此外,傳統(tǒng)手術(shù)中使用的檢測膀胱內(nèi)壓強(qiáng)裝置無法實(shí)時監(jiān)測膀胱內(nèi)壓強(qiáng)的變化情況,無法對病人膀胱內(nèi)壓強(qiáng)變化做出及時反應(yīng),從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。在傳統(tǒng)監(jiān)測裝置中加入光子晶體壓強(qiáng)傳感平臺,可實(shí)時監(jiān)測乳膠氣室中壓強(qiáng)變化,醫(yī)護(hù)人員通過觀測平臺的結(jié)構(gòu)色便能精確把握乳膠氣室內(nèi)壓強(qiáng)的變化,進(jìn)而作出反應(yīng),大大減少手術(shù)中意外的發(fā)生,挽救更多的生命。導(dǎo)尿管是外科手術(shù)中最常用的醫(yī)療器械之一,壓力指示導(dǎo)尿管如能研發(fā)成功將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

知識產(chǎn)權(quán)類型:
發(fā)明專利
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