CN107412957A - 一种基于光热纳米材料的光热治疗探头 - Google Patents

一种基于光热纳米材料的光热治疗探头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光热纳米材料的光热治疗探头，它包括一端封闭的圆筒状外壳、填充于外壳内部封闭端的光热纳米材料、用于照射光热纳米材料的光纤以及紧贴在外壳封闭端内壁的温度传感器，所述外壳为硬质材料，提供保护内部器件和组织穿刺的能力；光纤将激光导入到探头内部；光热纳米材料将光能转化成高温热能，温度传感器监测和控制探头末端温度。本发明将光热纳米材料填充到外壳内部，将光能转化为热能，探头通过微创介入到病灶组织部位，再通过光热纳米材料的高效光热转化机制，实施高温杀灭肿瘤以及其他病变组织细胞，通过温度传感器监控探头的温度，具有结构简单，操作方便，创伤面小，治疗高效、精准的优点。

Description

一种基于光热纳米材料的光热治疗探头
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，用于微创侵入性光热治疗的装置，尤其是一种基于光热纳米材料的光热治疗探头，该探头可以用于治疗人体不同组织器官的肿瘤以及其他病变组织。
背景技术
纳米材料介导的光热治疗是通过特殊纳米材料将光能转化为热能从而通过局部高温杀死肿瘤以及其他病变组织细胞的一种新型治疗手段。在治疗当中，需要将纳米材料通过静脉输液的方式给药到人体内，光热纳米材料再通过血液循环富集到病灶部位，然后通过激光照射病灶部位实施时间和空间可控的光热治疗。目前，美国和欧洲已经有相关的光热纳米材料制剂进入临床试验阶段。如上所述，光热治疗的前提条件是将一定量的纳米材料注射到人体，而这些纳米材料会通过血液循环分布到人体的各个组织器官包括病变组织，并且会在人体滞留很长时间甚至更久，这些纳米材料长期存在在人体内会带来不可预测的潜在毒副作用，这已经成为纳米材料往临床转化的重要障碍。光热纳米探头通过微创介入的方式***病灶组织部位，并通过光热转化机制实施高温杀灭病变组织细胞。目前，关于光热治疗探头的专利包括ZL96101822.4；ZL02286746.5，这些光热探头的专利只是将激光通过透明探头导入到病变组织部位，这些探头没有涉及到光热纳米材料的应用，其机理是通过病灶组织吸收光能然后转化成热能实施治疗，这种机制的光热转化效率很低，不能到达很好的治疗效果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于光热纳米材料的光热治疗探头，该探头将光热纳米材料集成到光热探头内部，利用光热纳米材料的高效的光热转化功能极大地提高探头的产热能力，进而提高光热治疗探头的治疗功效。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于光热纳米材料的光热治疗探头，特点是：该探头包括：一端封闭的圆筒状外壳、填充于外壳内部封闭端的光热纳米材料、用于照射光热纳米材料的光纤以及紧贴在外壳封闭端内壁的温度传感器，所述外壳为硬质材料，提供保护内部器件和组织穿刺的能力；光纤将激光导入到探头内部；光热纳米材料将光能转化成高温热能，温度传感器监测和控制探头末端温度。
所述外壳横截面直径为1-20毫米，封闭端为半球形或圆锥形。
所述外壳的硬质材料为导热金属材质制成的不锈钢、铜或铝，外壳外部除封闭端和光热材料填充区域外，其他区域包覆绝热材料。
所述外壳或者由两部分组成，封闭端和光热材料填充区域为导热金属材质，其他部分为绝热材料材质。
所述光热纳米材料为金属光热纳米材料、碳纳米材料、高分子聚合物材料或半导体纳米材料。
所述金属光热纳米材料为金纳米球、金纳米棒、金纳米壳、金纳米笼、金纳米片、金纳米三角板，金纳米星；铂纳米球、铂纳米棒、铂纳米壳、铂纳米笼、铂纳米片、铂纳米三角板，铂纳米星；钯纳米球、钯纳米棒、钯纳米壳、钯纳米笼、钯纳米片、钯纳米三角板或钯纳米星；所述碳纳米材料为碳量子点、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯或碳粉；所述高分子聚合物材料为聚多巴胺纳米颗粒或聚吡咯纳米颗粒；所述半导体纳米材料为硫化铜、硫化钼、硫化铋、硫化锑、硫化金硒化铜、硒化钼、硒化铋、硒化锑或硒化金。
所述光热纳米材料的吸收峰的波峰在200-5000纳米；所述光热纳米材料的尺寸在1-10000纳米。
所述填充于外壳内部封闭端的光热纳米材料为干粉、悬浮液、气凝胶、水凝胶以及固态基质；其中分散在气凝胶、水凝胶和固态基质中是通过物理包埋、胶黏剂胶黏或者化学键链接。
所述用于照射光热纳米材料的光纤端头1-2厘米处是普通直射型光纤或者是通过物理碾磨或化学腐蚀形成的弥散型光纤，普通直射型光纤头置于被封装光热纳米材料上，弥散型光纤***到纳米材料块体内部或者被纳米材料包裹。
所述激光波长在200-5000纳米；激光是连续激光和脉冲激光，激光的功率在1-100瓦。
本发明将光热纳米材料填充到外壳内部，将光能转化为热能，探头通过微创介入到病灶组织部位，再通过光热纳米材料的高效光热转化机制，实施高温杀灭病变组织细胞，通过温度传感器监控探头的温度，具有结构简单，操作方便，创伤面小，治疗高效、精准的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明光热纳米材料填充在封闭端的结构类型1示意图；
图3为本发明光热纳米材料填充在封闭端的结构类型2示意图；
图4为本发明实施例1蛋清溶液实验数据示意图，其中，a为随时间的温度变化曲线图；b为在加热5分钟后的热成像图；c为加热前后溶液状态图；
图5为本发明实施例2小鼠肿瘤模型实验数据示意图，其中，a为肿瘤病灶部位的温度随时间变化曲线图，b为在加热10分钟后的热成像图。
具体实施方式
参阅图1-图3，本发明包括一端封闭的圆筒状外壳1、填充于外壳内部封闭端的光热纳米材料2、用于照射光热纳米材料的光纤3以及紧贴在外壳封闭端内壁的温度传感器4，所述外壳1为硬质材料，提供保护内部器件和组织穿刺的能力；光纤3将激光导入到探头内部；光热纳米材料2将光能转化成高温热能，温度传感器4监测和控制探头末端温度。
本发明外壳的一端设有端盖5，光纤3穿过端盖5的光纤孔51；温度传感器4的传感器触针41穿过端盖5的传感器触针孔52***到外壳封闭端纳米材料填充区域12并且贴近外壳1内壁。
本发明外壳1横截面直径为1-20毫米，封闭端11为半球形或圆锥形。外壳1外部除封闭端11和光热材料填充区域12外，其他区域包覆绝热材料6（如图1）。外壳1或者由两部分组成，封闭端11和光热材料填充区域12为导热金属材质，其他部分为绝热材料材质（如图1）。
本发明的光热纳米材料2在光热材料填充区域12的填充方式分为两种：一种是填满光热材料填充区域12的空间，直射型光纤31置于光热材料上部（如图2），另一种是沿着光热材料填充区域12的内壁填充，中心留有圆柱体空腔，弥散型光纤32置于空腔内（如图3）。
本发明光纤3的一端为直射型31时，光热纳米材料2填充在光热材料填充区域12（如图2），激光由光纤3端头的正前方射向光热纳米材料2。
本发明光纤3的一端为弥散型32时，光热纳米材料2呈圆筒状分布在光热材料填充区域12（如图3），激光由弥散型32朝四周射向光热纳米材料2。
本发明采用封闭端11作为肌肤组织的穿刺部件，并通过外壳1保护光热纳米材料2及光纤3。通过光纤3将激光源导入到光热材料填充区域12，再由光热纳米材料2吸收光纤3的光能并转换为热能由探头11和光热材料填充区域12传导至病灶部位，进而实现治疗的目的。通过温度传感器4监测和控制光热材料填充区域12温度。
本发明的光纤3的激光源的波长范围为200～5000纳米，激光源的波形为连续激光或脉冲激光，激光源的功率为1～100瓦。
本发明的光热纳米材料2的吸收峰的波峰为200～5000纳米，尺寸为1-10000纳米。
实施例1
对蛋清溶液加热实验
选用本发明光热纳米材料2填满光热材料填充区域12空间的形式，采用光纤3的端头为直射型31（图2）；将本发明探针头部11和12区域***到1毫升的蛋清溶液中，采用激光源的波长为808纳米的连续激光，激光射出功率为1瓦，照射时间为10分钟，由图4看到，该实施例证明本发明可以有效地升高探头周围蛋清溶液的温度，并促使蛋清蛋白质发生变性（如图4）。
实施例2
在小鼠肿瘤模型中杀灭肿瘤的实验
为了进一步证实本发明可用于临床治疗。建立了皮下小鼠肿瘤模型。选用本发明光热纳米材料2填满光热材料填充区域12空间的形式，采用光纤3的端头为直射型31（图2）；将本发明探针头部11和12区域经皮***到肿瘤内，然后进行光热治疗（激光射出功率为1瓦，照射时间为5分钟）。图5显示光热治疗探头可以有效地加热肿瘤组织病灶部位，使其温度达到50摄氏度以上，达到消融肿瘤的目的。

Claims (10)

1.一种基于光热纳米材料的光热治疗探头，其特征在于，该探头包括：一端封闭的圆筒状外壳、填充于外壳内部封闭端的光热纳米材料、用于照射光热纳米材料的光纤以及紧贴在外壳封闭端内壁的温度传感器，所述外壳为硬质材料，提供保护内部器件和组织穿刺的能力；光纤将激光导入到探头内部；光热纳米材料将光能转化成高温热能，温度传感器监测和控制探头末端温度。
2.根据权利要求1所述的光热治疗探头，其特征在于，所述外壳横截面直径为1-20毫米，封闭端为半球形或圆锥形。
3.根据权利要求1所述的光热治疗探头，其特征在于，所述外壳的硬质材料为导热金属材质制成的不锈钢、铜或铝，外壳外部除封闭端和光热材料填充区域外，其他区域包覆绝热材料。
4.根据权利要求1所述的光热治疗探头，其特征在于，所述外壳或者由两部分组成，封闭端和光热材料填充区域为导热金属材质，其他部分为绝热材料材质。
5.根据权利要求1所述的光热治疗探头，其特征在于，所述光热纳米材料为金属光热纳米材料、碳纳米材料、高分子聚合物材料或半导体纳米材料。
6.根据权利要求5所述的光热治疗探头，其特征在于，所述金属光热纳米材料为金纳米球、金纳米棒、金纳米壳、金纳米笼、金纳米片、金纳米三角板，金纳米星；铂纳米球、铂纳米棒、铂纳米壳、铂纳米笼、铂纳米片、铂纳米三角板，铂纳米星；钯纳米球、钯纳米棒、钯纳米壳、钯纳米笼、钯纳米片、钯纳米三角板或钯纳米星；所述碳纳米材料为碳量子点、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯或碳粉；所述高分子聚合物材料为聚多巴胺纳米颗粒或聚吡咯纳米颗粒；所述半导体纳米材料为硫化铜、硫化钼、硫化铋、硫化锑、硫化金硒化铜、硒化钼、硒化铋、硒化锑或硒化金。
7.根据权利要求1所述的光热治疗探头，其特征在于，所述光热纳米材料的吸收峰的波峰在200-5000纳米；所述光热纳米材料的尺寸在1-10000纳米。
8.根据权利要求1所述的光热治疗探头，其特征在于，所述填充于外壳内部封闭端的光热纳米材料为干粉、悬浮液、气凝胶、水凝胶以及固态基质；其中分散在气凝胶、水凝胶和固态基质中是通过物理包埋、胶黏剂胶黏或者化学键链接。
9.根据权利要求1所述的光热治疗探头，其特征在于，所述用于照射光热纳米材料的光纤端头1-2厘米处是普通直射型光纤或者是通过物理碾磨或化学腐蚀形成的弥散型光纤，普通直射型光纤头置于被封装光热纳米材料上，弥散型光纤***到纳米材料块体内部或者被纳米材料包裹。
10.根据权利要求1所述的光热治疗探头，其特征在于，所述激光波长在200-5000纳米；激光是连续激光和脉冲激光，激光的功率在1-100瓦。
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