CN111279124B - 用于引导和散射紫外光的光扩散光纤 - Google Patents

用于引导和散射紫外光的光扩散光纤 Download PDF

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Abstract

光扩散光纤包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,以及围绕和接触包层的热塑性聚合物涂层。所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,从而使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面。纤芯包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃。包层包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃。此外,热塑性聚合物涂层掺杂了多个散射颗粒。

Description

用于引导和散射紫外光的光扩散光纤
相关申请的交叉参考
本申请根据35 U.S.C.§119,要求2018年8月30日提交的美国临时申请系列第62/724,870号,2017年12月19日提交的美国临时申请系列第62/607,401号,以及2017年10月24日提交的美国临时申请系列第62/576,237号的优先权,本文以其作为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
本公开内容涉及光扩散光纤。更具体来说,本公开内容涉及用于对沿着光扩散光纤传播的紫外光进行引导和散射的光扩散光纤。
发明内容
根据一个实施方式,光扩散光纤包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,以及围绕和接触包层的热塑性聚合物涂层。所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,从而使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面。纤芯包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃。包层包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃。此外,热塑性聚合物涂层掺杂了多个散射颗粒。
在另一个实施方式中,光扩散光纤包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,围绕包层的第一涂层,以及围绕第一涂层的热塑性聚合物涂层,从而使得第一涂层布置在包层与热塑性聚合物涂层之间。所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,从而使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面。纤芯包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃。包层包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃。第一涂层包括环脂族环氧化物,其在约250nm或更大的波长具有每100μm层厚度约0.04或更小的吸收率。此外,第一涂层包括掺杂在环脂族环氧化物中的多个散射颗粒。
在另一个实施方式,光扩散光纤包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,以及围绕包层的涂层。所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,从而使得当引导光沿着纤芯传播时,一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面。纤芯包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃。包层包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃。涂层掺杂了多个散射颗粒。此外,当波长约为250nm或更大的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括约0.4或更大的散射效率。
虽然本文主要参照对紫外光进行引导和散射的光扩散光纤描述了本公开内容的概念,但是预期该概念会享有对于任何光纤的适用性。
附图说明
当结合以下附图阅读下面对本公开内容的具体实施方式的详细描述时,可对其形成最好的理解,附图中相同的结构用相同的附图标记表示,其中:
图1示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的照明***,其包括光输出装置和光扩散光纤;
图2A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的光扩散光纤的横截面;
图2B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图2A的光扩散光纤的横截面;
图3A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的光扩散光纤的另一个实施方式的横截面;
图3B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图3A的光扩散光纤的横截面;
图4A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的光扩散光纤的另一个实施方式的横截面;
图4B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4A的光扩散光纤的横截面;
图5图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的各种聚合物材料的紫外光吸收率;
图6图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的光扩散光纤的各种实施方式的紫外光散射效率;
图7A是根据一个或多个实施方式的光扩散光纤光传递***的图像;以及
图7B显示已知的光扩散光纤的效率图(未加粗线)和根据一个或多个实施方式的光扩散光纤的效率图(加粗线)。
具体实施方式
现参见图1,照明***100包括光学耦合至包含光源152的光输出装置102的光扩散光纤110。光扩散光纤110包括第一端部112、与第一端部112相对的第二端部114。图2A-4B显示光扩散光纤的实施方式的横截面。例如,图2A和2B显示光扩散光纤110的横截面,图3A和3B显示光扩散光纤210的横截面,以及图4A和4B显示光扩散光纤310的横截面。本文所述的每个光扩散光纤110、210、310分别包括:纤芯120、220、320;围绕纤芯120、220、320的包层122、222、322;外表面128、228、328;以及多个散射结构125、225、325,所述多个散射结构125、225、325位于纤芯120、220、320中,位于包层122、222、322中,或者位于纤芯120、220、320和包层122、222、322两者中。
如本文所用,“外表面”128、228、328指的是光扩散光纤110、210、310的最外表面。在图2A和2B所示的实施方式中,外表面128是第二聚合物涂层132的表面;在图3A和3B所示的实施方式中,外表面228是热塑性聚合物涂层234的表面;以及在图4A和4B所示的实施方式中,外表面328是热塑性聚合物涂层334的表面。此外,所述多个散射结构125、225、325构造成朝向光扩散光纤110、210、310的外表面128、228、328散射引导光(例如,沿着光扩散光纤110、210、310传播的光输出装置102输出的光),从而一部分的引导光沿着光扩散光纤110、210、310的扩散长度扩散通过外表面128。此外,光扩散光纤110、210、310可能会包括约0.15m至约100m的长度(例如,第一端部112与第二端部114之间的长度),例如约为:100m、75m、50m、40m、30m、20m、10m、9m、8m、7m、6m、5m、4m、3m、2m、1m、0.75m、0.5m、0.25m、0.15m或0.1m。
如本文所用,“扩散长度”是光扩散光纤110从光扩散光纤110的第一端部112(或者接收输入光的任意端部)沿着光扩散光纤110的长度延伸到90%的引导光已经从光扩散光纤110发生扩散的地方的位置的长度。扩散长度可以是约0.1m至约100m,例如:约0.2m至约100m、约0.25m至约100m、约0.3m至约100m、约0.35m至约100m、约0.4m至约100m、约0.5m至约100m、约0.55m至约100m、约0.6m至约100m、约0.65m至约100m、约0.7m至约100m、约0.75m至约100m、约0.8m至约100m、约0.85m至约100m、约0.9m至约100m、约1m至约100m、约2m至约100m、约3m至约100m、约4m至约100m、约5m至约100m、约10m至约100m、约20m至约100m、约30m至约100m、约40m至约100m、约50m至约100m、约0.1m至约90m、约0.1m至约80m、约0.1m至约70m、约0.1m至约60m、约0.1m至约50m、约0.1m至约40m、约0.1m至约30m、约0.1m至约20m或者约0.1m至约10m。如本文所用,术语“光扩散”指的是沿着光扩散光纤110的至少一部分的长度,光散射在空间上是基本连续的,即,没有明显的跳跃或者不连续性,例如,与离散散射(例如点散射)相关的那些。因此,如本公开内容所述的基本连续的光发射或者基本连续的光散射的概念指的是空间连续性。此外,如本文所用,“均匀照明”指的是沿着光扩散光纤110的长度的照明,其中,从光扩散光纤110发射出来的光强度在规定长度上变化不超过25%。应理解的是,上述定义同样适用于图2A-B的光扩散光纤210、310。
再次参见图1,光输出装置102光学耦合到光扩散光纤110(或者在其他实施方式中,光扩散光纤210或310)的第一端部112,从而使得光输出装置102的光源152输出的光可以照射到光扩散光纤110的第一端部112的端面116并进入光扩散光纤110。光源152可以包括发光二极管(LED)或者激光二极管等。例如,光源152可以包括多模激光二极管、单模激光二极管、SiP激光二极管、VCSEL激光二极管或者任何其他类型的半导体激光二极管。此外,光源152可以构造成产生200nm至2000nm波长范围的光。
在一些实施方式中,光源152可以构造成产生或者可以产生200nm至2000nm波长范围的光。例如,光源152可以是紫外(UV)光源或者近紫外(UV)光源,其构造成发射如下波长的光:约200nm至约500nm、约200nm至约500nm、约220nm至约500nm、约240nm至约500nm、约250nm至约500nm、约260nm至约500nm、约280nm至约500nm、约300nm至约500nm、约320nm至约500nm、约340nm至约500nm、约350nm至约500nm、约360nm至约500nm、约380nm至约500nm、约400nm至约500nm、约200nm至约480nm、约200nm至约460nm、约200nm至约450nm、约200nm至约440nm、约200nm至约420nm、约200nm至约410nm、约375nm至约475nm、约380nm至约460nm、约390nm至约450nm、约400nm至约440nm、约400nm至约430nm、约400nm至约420nm、约400nm至约410nm或者约402nm至约408nm。在一个或多个实施方式中,光源可以构造成产生或者可以产生具有如下波长的光,例如约为:225nm、250nm、275nm、300nm、325nm、350nm、375nm、400nm、405nm、415nm、425nm、435nm、445nm、450nm或者475nm等,例如约300nm至约460nm。光输出装置102还可以包括额外的光学组件,例如透镜、传递光纤等,其位于光源152与光扩散光纤110的第一端部112之间并且与它们光学耦合,从而有助于光输入进入到光扩散光纤110中。除此之外,这些额外的光学组件(例如,传递光纤)可以实现光源152与光扩散光纤110在空间上是分开的。
在运行中,由于光源152发射出来的光被光扩散光纤110散射进入到周围环境中,光源152可以放置在远离光扩散光纤110的位置。因此,光源152产生的任何热量可以从光源152传输到远离光源152和光扩散光纤110这两者的位置。因此,光扩散光纤110的温度可以保持与周围环境的环境温度基本相似,并且可以将发光单元描述为热“冷却”发光单元。此外,光扩散光纤110与光源152在空间上是分开的,这可以为照明***100提供额外的设计灵活性。
现参见图2A-4B,光扩散光纤110、210、310分别构造成以高散射效率诱发散射穿过外表面128、228、328,具体来说,当沿着光扩散光纤110、210、310的长度传播的引导光包括紫外范围(例如,约200nm至约500nm)的波长时。如本文所用,“散射效率”指的是从光扩散光纤110、210、310的纤芯120、220、320向外朝向外表面128、228、328发生散射的光的百分比,所述光没有被吸收、阻挡或者任意其他方式发生损耗并且实际上离开了外表面128、228、328。虽然不打算受限于理论,但是从纤芯120、220、320发生散射的光的百分比可能被围绕包层122、222、322的光扩散光纤110、210、310的所述一层或多层额外层吸收。但是,本文所述的光扩散光纤110、210、310限制了散射通过外表面128、228、328的UV光的吸收并且促进了UV波长的高效散射。
仍然参见图2A-4B,光扩散光纤110、210、310中的每一个的纤芯120、220、320以及包层122、222、322可以包括玻璃,例如,二氧化硅玻璃,其掺杂了羟基材料(例如,掺杂了羟基的玻璃纤芯和掺杂了羟基的玻璃包层)。如本文所用,“掺杂了羟基”指的是包含300ppm或更多的羟基材料(例如,羟基离子(OH)或者过量氧(其可以添加到玻璃)等)的玻璃。虽然不打算受限于理论,但是用羟基材料对纤芯120、220、320以及包层122、222、322进行掺杂可能对于UV波长是有利的。虽然具有低羟基含量(例如,羟基含量小于300ppm)的玻璃纤芯和包层在较高的波长(例如,可见光范围、近红外(NIR)范围和红外范围的波长)具有增加的透射率,但是它们也引起UV范围波长的吸收损耗的增加,因为玻璃中羟基含量的降低增加了玻璃中的氧缺陷中心的数量和/或尺寸。如本文所用,“氧缺陷中心”指的是形成具有氧空位的二氧化硅的断裂键。虽然不打算受限于理论,但是纤芯120、220、320和包层122、222、322中的氧缺陷中心吸收了包含在UV范围波长中的光,这使得纤芯120、220、320和包层122、222、322变暗并降低了通过散射结构125、225、325使得光从纤芯120、220、320散射出去的百分比,所述光扩散通过光扩散光纤110、210、310的外表面128、228、328。虽然不打算受限于理论,但是在UV辐射下,会在熔凝二氧化硅中建立起不同的“色中心”。色中心的起源可能与熔凝二氧化硅的离子化有关。虽然仍热是不打算受限于理论,但是色中心可能与OH反应从而形成稳定的非吸收性物质。在一些实施方式中,光扩散光纤110、210、310可以是羟基掺杂的,以高压和高温用氢负载光扩散光纤110、210、310的二氧化硅。
此外,虽然不打算受限于理论,但是一些聚合物材料(例如,可UV固化的聚合物)对于UV光具有高度吸收性。因此,限制光扩散光纤110、210、310的聚合物层的数量和厚度以及使用具有有限的UV光吸收的聚合物层是有利的。例如,在图2A-4B所示的每个实施方式中,包层122、222、322包括玻璃(例如,羟基掺杂的玻璃)。此外,本文所述的光扩散光纤110、210、310的每个实施方式包括围绕了包层122、222、322的至少一层聚合物层,但是如下文更详细所述,这些聚合物层分别包括低的UV光吸收。
现参见图2A和2B,显示了光扩散光纤110的横截面,其包括纤芯120、围绕纤芯120的包层122、外表面128以及所述多个散射结构125。纤芯120包括掺杂了羟基材料的玻璃纤芯(例如,二氧化硅)(例如,包含约300ppm或更多的羟基材料的二氧化硅)。包层122包括掺杂了羟基材料的玻璃包层(例如,折射率低于纤芯120的折射率的F掺杂二氧化硅或者F(氟)/B(硼)共掺杂二氧化硅)(例如,包含约300ppm或更多的羟基材料的F掺杂二氧化硅或者F(氟)/B(硼)共掺杂二氧化硅)。光扩散光纤110还包括围绕包层122的第一聚合物涂层130以及围绕第一聚合物涂层130的第二聚合物涂层132。
仍然参见图2A和2B,可以在整个纤芯120存在散射结构125(如图2A和2B所示),或者可以在靠近纤芯120与包层122的界面处(例如,纤芯-包层边界)存在散射结构125,或者可以在纤芯120内的环状环中存在散射结构125。散射结构125可以包括气体填充的空穴、散射颗粒,例如陶瓷材料或者掺杂剂等。具有无规排布或者随机尺寸的空穴(也称作“无规空气线”或者“纳米结构”或者“纳米尺寸结构”)的光扩散光纤的一些例子如美国专利第7,450,806号以及美国专利申请系列第12/950,045号、第13/097,208号和第13/269,055号所述,它们全文通过引用结合入本文。或者,光扩散光纤110可以具有“粗糙化”纤芯120,其中,纤芯120在纤芯-包层边界处的表面上的不规则性导致光散射。也可以采用其他类型的光扩散光纤。在运行中,光扩散光纤110可能经受散射诱发的衰减(即,由于穿过光扩散光纤110的外表面128的光损害所导致的而不是由于光扩散光纤110内的散射颗粒的吸收所导致的衰减),所述衰减是约50dB/km或更大,例如,在照明波长(例如,发射辐射的波长)约100dB/km至约60000dB/km。
在散射结构125包括气体填充的空穴的实施方式中,气体填充的空穴可以以无规或者有序图案排布并且可以是平行于光扩散光纤110的长度或者可以是螺旋状的(即,绕着光扩散光纤110的长轴旋转)。此外,光扩散光纤110可以包括大量的气体填充的空穴,例如在光纤的横截面中,超过50个、超过100个或者超过200个空穴。气体填充的空穴可以含有例如:SO2、Kr、Ar、CO2、N2、O2或其混合物。但是,无论存在或者不存在任何气体,由于存在空穴,导致纤芯120、包层122或者纤芯-包层边界处包含所述多个散射结构125的区域中的平均折射率下降。此外,所述多个散射结构125(例如,空穴)可以以无规或者非周期性的方式布置在纤芯120、包层122或者纤芯-包层边界中;但是在其他实施方式中,可以以周期性的方式布置空穴。
空穴(例如,气体填充的空穴)(或者其他散射颗粒)的横截面尺寸(例如,直径)可以是约10nm至约10μm,以及长度可以从约1μm到约50m变化。在一些实施方式中,空穴(或者其他散射颗粒)的横截面尺寸约为:10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm、200nm、250nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或者10μm。在一些实施方式中,空穴的长度约为:1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、5mm、10mm、50mm、100mm、500mm、1m、5m、10m、20m或者50m。
仍然参见图2A和2B,第一聚合物涂层130可以包括以便于方便机械装卸的围绕纤芯120和包层122的基本透明的层,例如聚合物涂层。此外,第二聚合物涂层132可以放置成围绕纤芯120、包层122和第一聚合物涂层130。第二聚合物涂层132起到散射层的作用,并且包括基础材料(例如,聚合物)和置于基础材料中的多个散射颗粒135。在运行中,第二聚合物涂层132可以促进在大的角度范围(例如,40至120°,或者30°至130°或者15至150°)上的均匀角度散射。例如,光扩散光纤110构造成提供基本均匀的由于散射的照明,从而对于40至120度之间的所有观察角,最小与最大散射照明强度之差小于最大散射照明强度的50%。
散射颗粒135包括相对于第二聚合物涂层132的基础材料(例如,折射率约为1.5的基础聚合物)大于0.05的折射率差异(例如,基础材料与每个散射颗粒135之间的折射率差异大于0.05)。在一些实施方式中,基础材料与每个散射颗粒135的折射率之差是至少0.1。也就是说,每个散射颗粒135的折射率可以比第二聚合物涂层132的基础材料(例如,聚合物或者其他基质材料)的折射率大了至少0.1。此外,为了限制穿过第二聚合物涂层132的UV光吸收,散射颗粒135包括低UV光吸收的材料(例如,低吸收散射材料)。具有大于基础材料的折射率(例如,大于约1.5)的示例性低吸收材料散射材料包括:折射率约为1.77的氧化铝(Al2O3)、折射率约为1.636的硫酸钡(BaSO4)或者折射率约为1的气体空穴(例如,微气泡)等。此外,在一些实施方式中,作为补充或替代,散射颗粒133可以包括气体空穴或微气泡。
此外,第二聚合物涂层132中的每个散射颗粒135的横截面尺寸可以包括0.1λ至10λ,其中,λ是传播穿过光扩散光纤110的光的波长。在一些实施方式中,每个散射颗粒135的横截面尺寸大于0.2λ且小于5λ,例如,0.5λ至2λ。例如,每个散射颗粒的横截面尺寸可以包括约20nm至约5μm,例如约为:50nm、75nm、100nm、150nm、200nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、2μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.7μm、2.8μm、2.9μm、3μm、3.1μm、3.2μm、3.3μm、3.4μm、3.5μm、3.6μm、3.7μm、3.8μm、3.9μm、4μm、4.1μm、4.2μm、4.3μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm、4.8μm或者4.9μm等。此外,第二聚合物涂层132中的散射颗粒135可以占据第二聚合物涂层132的约0.005重量%至70重量%,例如0.01%至60%或者0.02%至50%等。
在一些实施方式中,所述多个散射颗粒135可以布置在第二聚合物涂层132的子层中。例如,在一些实施方式中,子层的厚度可以是约1μm至约5μm。在其他实施方式中,颗粒子层的厚度和/或第二聚合物涂层132中的散射颗粒135的浓度可以沿着光扩散光纤110的轴向长度变化,从而为以大角度(即,大于约15度的角度)从光扩散光纤110散射的光强度提供更均匀的变化。例如,对于40至120度之间的所有观察角,角度照明与最大照明相差不超过50%,以及在一些实施方式中相差不超过30%。在一些实施方式中,对于40至120度之间的所有观察角,角度照明与最大照明相差不超过30%,以及在一些实施方式中相差不超过25%。
现参见图3A和3B,显示了光扩散光纤210的横截面,所述光扩散光纤210包括纤芯220、围绕纤芯220的包层222、散射结构225以及围绕且接触包层222的热塑性聚合物涂层234。纤芯220包括掺杂了羟基材料的玻璃纤芯(例如,二氧化硅)(例如,包含约300ppm或更多的羟基材料的二氧化硅)。包层222包括掺杂了羟基材料的玻璃包层(例如,折射率低于纤芯220的折射率的F掺杂二氧化硅或者F(氟)/B(硼)共掺杂二氧化硅)(例如,包含约300ppm或更多的羟基材料的F掺杂二氧化硅或者F(氟)/B(硼)共掺杂二氧化硅)。可以在整个纤芯220存在散射结构225(如图3A和3B所示),或者可以在靠近纤芯220与包层222的界面处(例如,纤芯-包层边界)存在散射结构225,或者可以在纤芯220内的环状环中存在散射结构225。散射结构225可以包括上文关于光扩散光纤110所述的任意散射结构125,例如:气体填充的空穴,散射颗粒,例如陶瓷材料或者掺杂剂等。
热塑性聚合物涂层234包括氟化聚合物材料,例如聚四氟乙烯(PTFE),例如特氟龙TM(TeflonTM),乙烯四氟乙烯(ETFE),例如TefzelTM,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),氟化乙烯丙烯(FEP),全氟烷氧基烷烃(PFA),PEEK(聚醚醚酮),尼龙,以及任何其他氟化的可挤出聚合物。热塑性聚合物涂层234包括低UV光吸收率(如下文关于图5的图形50更具体所述)并且是硬的塑料材料,其提供了围绕纤芯220和包层222的保护涂层。在图3A和3B所示的实施方式中,热塑性聚合物涂层234与包层222直接接触,因而在包层222与热塑性聚合物涂层234之间没有放置中间层,限制了被吸收、阻挡或者任意其他方式受阻没有离开外表面228的从纤芯220向外朝向外表面228散射的UV光的量。
此外,如图3A和3B所示,散射颗粒235布置在热塑性聚合物涂层234中。布置在热塑性聚合物涂层234中的散射颗粒235可以包括上文关于光扩散光纤110所述的任意散射颗粒135。热塑性聚合物涂层234可以包括约1.30至约1.35的折射率。散射颗粒235可以包括折射率大于热塑性聚合物涂层234的折射率的低吸收散射材料,例如:折射率约为1.77的Al2O3、折射率约为1.636的BaSO4或者折射率约为1.46的二氧化硅(SiO2)等。注意到的是,由于热塑性聚合物涂层234所包含的折射率低于第二聚合物涂层132,可用作散射颗粒235的材料对于散射颗粒135是不可行的。具体来说,SiO2可以用作散射颗粒235的材料,因为SiO2对于波长约为200nm或更大的光是透明的,所以这可能是有利的,从而降低了由于散射颗粒235在UV范围内所导致的吸收损耗。此外,在一些实施方式中,作为补充或替代,散射颗粒235可以包括气体空穴或微气泡。
在一些实施方式中,可以在光纤拉制过程期间,将热塑性聚合物涂层234直接施涂到光扩散光纤210的包层222。例如,虽然不打算受限于理论,但是可以通过拉制炉和光纤涂覆单元从光纤预制件拉制光纤220和包层222,所述拉制炉加热了光纤预制件,所述光纤涂覆单元向光扩散光纤210的包层222施涂热塑性聚合物涂层234。此外,在施涂了热塑性聚合物涂层234之后,光扩散光纤210到达光纤收集单元,其可以包括一个或多个拉制机制和张紧滑轮,从而为光扩散光纤210提供张力并有助于将光扩散光纤210卷绕到光纤储存线轴上。
在拉制过程期间,在光扩散光纤210抵达光纤收集单元之前施涂热塑性聚合物涂层234防止了包层222与光纤收集单元的所述一个或多个拉制机制之间的机械接触,这可以防止包层222的玻璃发生破损。但是,在其他实施方式中,在拉制了光扩散光纤210之后向光扩散光纤210施涂热塑性聚合物涂层234,例如采用离线设备(off-draw equipment),例如常规挤出设备。因此,在拉制过程之后施涂热塑性聚合物涂层234的实施方式中,可能希望在拉制过程期间向包层222施加涂层以防止由于光纤收集单元的拉制机制和张紧滑轮所导致的包层122的玻璃的破碎。在包层与热塑性聚合物涂层之间具有聚合物层的示例性光扩散光纤是如下文所述的光扩散光纤310。
现参见图4A和4B,显示了光扩散光纤310的横截面,所述光扩散光纤310包括:纤芯320,围绕纤芯320的包层322,散射结构325,围绕包层322的第一涂层330,以及围绕第一涂层330的热塑性聚合物涂层334,从而使得第一涂层330布置在包层322与热塑性聚合物涂层334之间。纤芯320包括掺杂了羟基材料的玻璃纤芯(例如,二氧化硅)(例如,包含约300ppm或更多的羟基材料的二氧化硅)。包层322包括掺杂了羟基材料的玻璃包层(例如,折射率低于纤芯320的折射率的F掺杂二氧化硅或者F(氟)/B(硼)共掺杂二氧化硅)(例如,包含约300ppm或更多的羟基材料的掺杂二氧化硅或者F(氟)/B(硼)共掺杂二氧化硅)。可以在整个纤芯320存在散射结构325(如图4A和4B所示),或者可以在靠近纤芯320与包层322的界面处(例如,纤芯-包层边界)存在散射结构325,或者可以在纤芯320内的环状环中存在散射结构325。散射结构325可以包括上文关于光扩散光纤110所述的任意散射结构125,例如:气体填充的空穴,散射颗粒,例如陶瓷材料或者掺杂剂等。
热塑性聚合物涂层334可以包括热塑性聚合物涂层234的任意氟化聚合物材料,例如聚四氟乙烯(PTFE),例如特氟龙TM(TeflonTM),乙烯四氟乙烯(ETFE),例如TefzelTM,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),氟化乙烯丙烯(FEP),全氟烷氧基烷烃(PFA),PEEK(聚醚醚酮),尼龙,以及任何其他氟化的可挤出聚合物。热塑性聚合物涂层334包括低UV光吸收率并且是硬的塑料材料,其提供了围绕纤芯320、包层322和第一涂层330的保护涂层。
第一涂层330包括可UV固化涂层,例如环脂族环氧化物。虽然环脂族环氧化物是可UV固化的,用于固化环脂族环氧化物的光引发剂是UV吸收性的,但是可以在环脂族环氧化物固化之后去除所述光引发剂,例如通过对环脂族环氧化物进行漂白,并且所得到的经过固化的环脂族环氧化物包括低UV光吸收率,如下文关于图5的图形50更具体所述。在一些实施方式中,光引发剂包括(对-异丙基苯基)(对-甲基苯基)碘鎓四(五氟苯基)硼酸酯。此外,第一涂层330可以包括约5μm至约20μm的厚度,例如约10μm至约15μm。使得第一涂层330是薄的可能是有利的,因为第一涂层330仍然可能吸收一些UV,而较薄的层使得这种吸收最小化。
仍然参见图4A和4B,第一涂层330掺杂了多个散射颗粒335,其可以是上文关于光散射光纤110所述的任意散射颗粒135。例如,散射颗粒335可以包括折射率大于第一涂层330的环脂族环氧化物的低吸收散射材料(所述环脂族环氧化物所包含的折射率约为1.41),例如:折射率约为1.77的Al2O3,折射率约为1.636的BaSO4,由如下热塑性聚合物制造的颗粒,例如:聚四氟乙烯(PTFE),例如特氟龙TM(TeflonTM),乙烯四氟乙烯(ETFE),例如TefzelTM,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),氟化乙烯丙烯(FEP),全氟烷氧基烷烃(PFA),PEEK(聚醚醚酮),尼龙,以及任何其他氟化聚合物或者类似物质等。此外,在一些实施方式中,作为补充或替代,散射颗粒335可以包括气体空穴或微气泡。除此之外,虽然图4A和4B显示所述多个散射颗粒335布置在第一涂层330中,但是作为替代或补充,所述多个散射颗粒335可以布置在热塑性聚合物涂层334中。
再次参见图1、2B、3B和4B,在运行时,未散射的引导光(例如,光输出装置102的光源152输出的UV光)沿着光扩散光纤110、210、310以箭头10所示方向传播。显示散射光以箭头12所示方向以散射角θS离开光扩散光纤110、210、310,所述散射角θS是沿着光扩散光纤110、210、310传播的引导光的传播方向10与当散射光离开光扩散光纤110时它的方向12之间的角度差。在一些实施方式中,当散射角θS是15°至150°或者30°至130°时,在峰值波长进行测量,谱强度是±50%、±30%、±25%、±20%、±15%、±10%或±5%内。在一些实施方式中,当散射角θS是30°至130°或者40°至120°之间的所有角度时,在峰值波长进行测量,谱强度是至少±50%内,例如:±30%、±25%、±20%、±15%、±10%或±5%内。因此,每个光扩散光纤110、210、310构造成提供基本均匀的由于散射的照明,从而至少对于40至110度之间的所有观察角(例如,40度至120度之间的所有观察角),最小与最大散射照明强度之差小于最大散射照明强度的50%。根据一些实施方式,最小与最大散射照明强度之差不超过最大散射照明强度的30%。
再次参见图2A-4B,每个光扩散光纤110、210、310在550nm波长可能具有大于约0.2dB/m的散射诱发的衰减损耗。例如,在一些实施方式中,在550nm,散射诱发的衰减损耗(由于散射结构125、225、325(例如,空气线)导致的衰减损耗)可能大于约0.5dB/m、0.6dB/m、0.7dB/m、0.8dB/m、0.9dB/m、1dB/m、1.2dB/m、1.4dB/m、1.6dB/m、1.8dB/m、2.0dB/m、2.5dB/m、3.0dB/m、3.5dB/m、4dB/m、5dB/m、6dB/m、7dB/m、8dB/m、9dB/m、10dB/m、20dB/m、30dB/m、40dB/m或50dB/m。在一些实施方式中,光扩散光纤110、210、310的平均散射损耗大于50dB/km,以及在光扩散光纤110的任意给定光纤段上,散射损耗变化不超过20%(即,散射损耗与平均散射损耗相差不超过±20%,例如不超过±15%或者不超过±10%)。在一些实施方式中,光扩散光纤110、210、310的平均散射损耗大于50dB/km,以及在光扩散光纤110、210、310的约0.2m至约50m的任意给定光纤段上(例如0.5m、1m、2m、5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m或者45m等),散射损耗变化不超过20%(即,散射损耗与平均散射损耗相差不超过±20%,例如不超过±15%或者不超过±10%)。
现参见图5,图形50显示在包含约100μm厚度的样品材料层中,从200nm到400nm的UV光的吸收。一个样品材料层是包含约100μm厚度的环脂族环氧化物,例如光扩散光纤310的第一涂层330的环脂族环氧化物,其表示为线52。包含约100μm厚度的另一个样品材料层是PTFE,例如,光扩散光纤210的热塑性聚合物涂层234和光扩散光纤310的热塑性聚合物涂层334,其表示为线54。如线52所示,对于每100μm厚度,环脂族环氧化物包括如下吸收率:400nm处约为0.0005,375nm处约为0.001,350nm处约为0.002,325nm约为0.004,300nm处约为0.012,275nm处约为0.025,以及250nm处约为0.035。此外,如线54所示,对于每100μm厚度,PTFE包括如下吸收率:400nm处约为0.003,375nm处约为0.004,350nm处约为0.006,325nm约为0.008,300nm处约为0.01,275nm处约为0.013,250nm处约为0.0175,225nm处约为0.024,以及200nm处约为0.032。
仍然参见图5,对于约310nm或更大波长的光,环脂族环氧化物(线52)包括每100μm厚度约0.01或更小的吸收率。对于包含约250nm或更大波长的光,环脂族环氧化物(线52)包括每100μm厚度约0.02或更小的吸收率。对于包含约270nm或更大波长的光,环脂族环氧化物(线52)包括每100μm厚度约0.03或更小的吸收率。此外,对于包含约245nm或更大波长的光,环脂族环氧化物(线52)包括每100μm厚度约0.04或更小的吸收率。对于包含约300nm或更大波长的光,PTFE(线54)包括每100μm厚度约0.01或更小的吸收率。对于包含约240nm或更大波长的光,PTFE(线54)包括每100μm厚度约0.02或更小的吸收率。此外,对于包含约205nm或更大波长的光,PTFE(线54)包括每100μm厚度约0.03或更小的吸收率。
现参见图6,图形70显示对于包含约300nm至约500nm波长的光,各种光扩散光纤实施方式的散射效率。如上文所述,“散射效率”指的是从光扩散光纤110、210、310的纤芯120、220、320向外朝向外表面128、228、328发生散射的光的百分比,所述光没有被吸收、阻挡或者任意其他方式发生损耗并且实际上离开了外表面128、228、328。在图6中,线72表示之前的光扩散光纤实施方式,线74表示光扩散光纤110,线76表示光扩散光纤210,以及线78表示光扩散光纤310。如图6所示,本文所述的光扩散光纤110、210、310包括的UV光散射效率高于之前的光扩散光纤。
仍然参见图6,线74表示光扩散光纤110对于包含约350nm或更大波长的光包括约0.1或更大的散射效率,对于包含约375nm或更大波长的光包括约0.4或更大的散射效率,对于包含约400nm或更大波长的光包括约0.6或更大的散射效率,以及对于包含约425nm或更大波长的光包括约0.8或更大的散射效率。线76显示光扩散光纤210对于包含约300nm或更大波长的光包括约0.5或更大的散射效率,对于包含约325nm或更大波长的光包括约0.65或更大的散射效率,对于包含约350nm或更大波长的光包括约0.75或更大的散射效率,对于包含约375nm或更大波长的光包括约0.8或更大的散射效率,以及对于包含约400nm或更大波长的光包括约0.9或更大的散射效率。此外,虽然图6未示出,但是光扩散光纤210对于包含约250nm或更大波长的光包括约0.4或更大的散射效率,例如约0.5或更大的散射效率。除此之外,线78显示光扩散光纤310对于包含约350nm或更大波长的光包括约0.3或更大的散射效率,对于包含约375nm或更大波长的光包括约0.6或更大的散射效率,对于包含约400nm或更大波长的光包括约0.8或更大的散射效率,以及对于包含约425nm或更大波长的光包括约0.9或更大的散射效率。
实施例
在表1中列出了用于以下实施例的所有有机体。当可用时,使用良好表征的实验室菌株,否则从纽约州罗彻斯特市的斯特朗纪念医院临床微生物学实验室(Strong MemorialHospital Clinical Microbiology Laboratory,Rochester,NY)购买临床分离菌株。金黄色葡萄球菌菌株UAMS-1112是常见实验室菌株8325-4的稳定小菌落变体,带有hemB***。除非另有说明,否则细菌在37℃的穆勒-欣顿(Mueller-Hinton)(MH)培养基(新泽西州富兰克林湖贝顿狄金森(Becton Dickinson,Franklin Lakes,NJ))中在旋转振荡器上以每分钟225转的速度生长16小时,在0.9%的盐水溶液中连续稀释,然后进行如下处理。白色念珠菌培养物在酵母提取物-蛋白-葡萄糖(YPD)肉汤中培养过夜,然后进行处理。
表1:用于这些研究的有机体
Figure GDA0003650108510000151
1纽约州罗彻斯特市的斯特朗纪念医院临床微生物学实验室
采用230μm(外)直径22cm扩散长度光扩散光纤(纽约州康宁市康宁有限公司(Corning Incorporated;Corning,NY))进行所有实验。如图7A所示,采用具有0.22NA和105μm纤芯尺寸的FC/PC至FC/PC补丁光缆(新泽西州牛顿市托尔实验室公司(Thorlabs;Newton,NJ))将光纤的端部连接到750mW 405nm激光(加利福尼亚州安大略市世界之星技术公司(World Star Technologies;Ontario,CA))。将光扩散光纤放置在聚四氟乙烯片的1mmx1mm凹槽中,用于增加反射和使得实验中的光纤配置稳定化。位于96孔微量滴定板中的微生物,定植琼脂或非生物表面直接放置在光纤照射路径上方约1cm处,并以405nm照射,以实现指示的光剂量。
接种在琼脂板表面上的细菌的光扩散光纤处理。细菌以点状(20μl体积)分配或(以100μl体积)直接分布在MH琼脂板上,最终浓度为每个板1x104至1x108个细胞。一旦干燥,将板倒转,以及将表面放入1cm的光扩散光纤光传递或照明路径中。板以5mW/cm2至25mW/cm2的通量率(fluence rate)处理2至6h。在每次测试开始时,采用ILT 1400光度计和XSL340A检测器(马萨诸塞州皮博迪市国际光科技公司(International Light Technologies;Peabody,MA))测量通量率。采用如下公式计算通量(辐射能,单位是焦耳/cm2):通量=(X)(Y)(3.6)J/cm2,式中,X=功率密度(单位是mW/cm2)以及Y=暴露时间(单位是小时)。在处理之后,板在37℃孵育16h,以确定菌落形成单位(CFU)。通过将每个处理方案与模拟处理(遮光)细胞的细胞生存能力进行对比来确定抗微生物作用。在不同日子里,所有有机体总计评估3次。
液体介质中培养的细菌的光扩散光纤处理。为了近似标准的抗微生物最小抑制浓度(MIC)测试参数,在含有190μl MH介质的96孔圆底聚苯乙烯微量滴定板(纽约州康宁市康宁有限公司)的各个孔中接种了大约5x104的所示细菌物质(10μl)。然后,细胞悬液在5mW/cm2至25mW/cm2处理2至6h。在处理之后,取出细胞的等分试样,在0.9%盐水溶液中连续稀释,并铺板计数CFU。通过将每个处理的CFU数量与模拟处理(遮光)细胞进行对比来确定抗微生物作用。在不同日子里,所有有机体评估至少3次。
细胞毒性测试。在24孔板中,在McCoy的5A介质中,人类结肠38细胞生长至50%和100%融合。一半的板进行遮蔽,以及另一半以5mW/cm2、10mW/cm2、25mW/cm2或50mW/cm2处理4小时。在处理之后,通过加入0.1体积的Alamar蓝溶液(俄勒冈州优金市英杰公司(Invitrogen,Eugene,OR))对细胞染色,并在37℃(避光)下孵育4小时。为了测量细胞存活能力,将100μl等分试样转移到96孔板中,以待通过板读取器以540-570nm萤光激发波长(峰值激发为570nm)和580-610nm荧光发射(峰值发射为585nm)进行读取。每种条件进行4次。
非生物表面上的金黄色葡萄球菌、鲍氏不动杆菌和铜绿假单胞菌的光扩散光纤处理。约1x106至1x108CFU的指示微生物在20μl 0.9%的盐水中接种到大约1cm2的非生物材料区域,所述非生物材料区域包括织物(明尼苏达州明尼唐卡市阿美利必利服务公司(Ameripride Services;Minnetonka,MN)),硅酮橡胶,聚苯乙烯,聚丙烯(Nuc 96-孔)和瓷砖(北卡罗来纳州摩尔斯维尔市洛斯公司(Lowes,Mooresville,NC))。每种材料放在24孔培养板中,并任其在37℃干燥24至48h。接种表面以5mW/cm2、10mW/cm2或25mW/cm2处理总计2、4或6小时。通过用1mL的0.9%盐水剧烈吸打从处理过的表面收集细菌,进行连续稀释,并通过铺板计数可回收的CFU。通过将每种处理的细胞存活能力与模拟处理细胞进行对比,来确定每种处理试样的抗微生物作用。此外,平行使用两种方法以确保从每个表面回收的总存活细胞。首先,加入0.25ml的0.9%盐水,并用刮刀物理刮擦测试表面,转移至96孔微量滴定板,并使用LIVE/DEAD染色剂以485nm激发波长以及530nm发射波长(SYTO 9;绿色)和630nm发射波长(碘化丙啶;红色)测量残留的非存活/存活生物百分比(俄勒冈州尤金市分子探针公司(Molecular Probes,Inc,Eugene,OR))。其次,在处理之后,将接种的测试表面转移到新鲜培养介质,在定轨振荡器上于37℃孵育16小时,并测量光密度(OD600nm)。对于每种非生物材料,在不同日子里,所有有机体总计评估3次。
结果:
用于这些研究的(根据本公开内容的一个或多个实施方式的)光扩散光纤开发至使得405nm光发射和抗微生物潜力最大化。光纤包括115μm高纯度二氧化硅玻璃纤芯,在整个纤芯中无规分布了0.05-0.3μm直径的气体填充的空穴以增加光散射。光纤纤芯双包覆了25μm厚的氟掺杂(F掺杂)二氧化硅和40μm环脂族聚合物(其含有约0.1μm直径氧化铝颗粒),这两者都增加了角度光散射(数据未示出),而光扩散光纤的外表面涂覆了约70μm的氟化聚合物(全氟烷氧基,PFA)以保护光纤仍然保有其挠性。对发射波长上的总光散射的积分球测试测量表明,与常规的可见光扩散光纤(非粗线)相比,光扩散光纤的光传输或照明效率得到了改善,并且在波长>400nm时能够具有大于90%的发射(图7B),表明对于抗菌405nm光传输的可能是理想的。
光扩散光纤405nm光传递或照明***对ESKAPE和其他病原体具有抗微生物活性。显示LED传递的405nm光(133J/cm2)使得接种到琼脂板上的金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌这两者的生长分别有效地降低了约6-log10和5.2-log10。因此,作为光扩散光纤光传递或照明***是否有效地传输作为接近LED 405nm曝光的抗微生物效果的405nm光的初步评估,指数期金黄色葡萄球菌株UAMS-1或铜绿假单胞菌株PA01的1x106CFU铺在穆勒欣顿(MH)琼脂平板的表面上。一半的板屏蔽曝光,而另一半的板暴露于10mW/cm2 405nm光持续总计6小时(通量率=216J/cm2),然后培育过夜以计算细菌生长。如图7B所示(左边),光扩散光纤405nm光传递***有效地抑制了受到照射的金黄色葡萄球菌细胞的生长,而屏蔽细胞的生长没有可察觉的消融。在点镀(20μl)的106金黄色葡萄球菌CFU研究中,在曝光场(图7B;右边)也观察到了相似的抗菌作用,提供了对单个培养皿进行重复曝光测试的有效方法。铜绿假单胞菌细胞的平行研究表明,该有机体同样容易受到光扩散光纤405nm光传递的抗微生物影响(数据未示出)。结合在一起,这些结果表明,经由光扩散光纤照明***传递的405nm光能够产生与LED直接曝光的抗微生物性能近似的有效抗微生物剂量。
为了进一步开拓光扩散光纤光传递或照明***的抗微生物潜力,扩展研究以提供对于***性能的更高分辨率的测量。在独立实验中,用各种光强度(5、10或25mW/cm2)和暴露时间(2、4或6小时)攻击104、106和108的金黄色葡萄球菌或铜绿假单胞菌细胞。每种实验重复至少3次,并且记录每种实验条件下的可再现和完全抑制的细胞数量(表2)。结果表明,405nm光的光扩散光纤传递对于这两种测试有机体引起剂量依赖性抗菌作用。对于金黄色葡萄球菌,2小时,25mW/cm2(180J/m2),处理抑制了生长104CFU,而相同通量率下的4和6小时处理都抑制了106细胞生长。虽然2小时的10mW/cm2处理没有显示出对于有机体的抗微生物活性,但是4小时(144J/m2)和6小时(216J/m2)处理分别抑制了104和106CFU的生长。5mW/cm2的金黄色葡萄球菌处理在2小时或4小时暴露没有展现出可检测到的抗微生物活性,而6小时(108J/m2)处理降低生长<104细胞。相比于金黄色葡萄球菌,铜绿假单胞菌显示出增加的405nm光易感性;5(36J/m2)、10(72J/m2)和25mW/cm2(108J/m2)的2小时处理分别抑制了104、106和≥106的铜绿假单胞菌细胞的生长。从这些研究总结得出:光扩散光纤照明***能够传递与标准LED***等效的抗微生物功效。
表2:半固体表面上的抗微生物作用
Figure GDA0003650108510000191
Figure GDA0003650108510000201
*≤10X表明指示接种物减少超过50%;(-)表明接种物没有可测的的减少。
**实现4-log存活能力降低所需要的最小辐射能(通量;焦耳/cm2)。
基于这两种有机体的***性能,研究扩展至评估***对于ESKAPE病原体的其余成员(粪肠球菌、肺炎克雷伯菌、鲍氏不动杆菌和阴沟肠杆菌)以及其他与健康密切相关的微生物(包括化脓链球菌、大肠杆菌和真菌白色念珠菌)抗微生物性能。结果表明,光扩散光纤405nm光传递以计量依赖性的方式抑制了每种有机体的生长(表2)。例如,25mW/cm2处理大肠杆菌2、4或6小时分别导致CFU下降≤104、105和106;10和5mW/cm2的6小时处理分别导致CFU下降105和104。尽管***的性能大小确定随着微生物物质发生变化,但是对于评估的所有其他有机体,观察到了类似的剂量依赖性的抗微生物活性。化脓性链球菌看上去是最易感性的,因为所有的剂量都均匀地产生了接种物的约8-log下降。此外,与之前的公开报道相一致的是,粪肠球菌看上去是最能耐受405nm的测试有机体,显示4-log的细胞存活能力下降,但是这仅在最高剂量条件下(25mW持续6小时;540J/cm2)。但是,在较低的曝光下,没有明显的有机体存活下降。
为了帮助对比光扩散光纤与文献中记录的采用405nm光的其他技术的抗微生物功效,表2还总结了每种测试有机体杀灭≥4-log10 CFU所需要的辐射能(单位是J/cm2)。如上文详细所述,化脓链球菌看上去是测试的最易感性的有机体,证实了36J/cm2下>4的细胞存活能力的对数下降。对于其他评估的物质,铜绿假单胞菌也对405nm光具有高度易感性,(72J/cm2),其次是金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、肺炎克雷伯菌和鲍氏不动杆菌(144J/cm2)。白色念珠菌、大肠杆菌和阴沟肠杆菌似乎略微更耐受蓝光(360J/cm2),而粪肠球菌最不易感,需要540J/m2的照射才能实现CFU至少4的对数下降。
光扩散光纤光传递或照明***传递的405nm光对于ESKAPE病原体定殖的非生物表面的效果。众所周知,定殖材料的定殖是细菌传播的来源。因此,研究扩展至评估当在医院环境中常见的非生物表面(包括聚苯乙烯、织物、硅酮橡胶、聚丙烯和瓷砖)发生定殖时,***对于ESKAPE病原体代表的性能。部分基于它们观察到的半固体琼脂表面上的405nm的高度易感性结合它们对于定殖非生物表面的倾向性,选择3种代表性ESKAPE病原体用于这些研究:金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌(他们是医院环境中常见的普遍获得的医院内病原体)以及鲍氏不动杆菌(它是一种臭名昭著的耐干燥的环境生物,并且是伤口感染的重要原因)。每种非生物表面以108、107或106CFU接种金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌或鲍氏不动杆菌,干燥24至48小时,然后以0、5、10或25mW/cm2处理2、4或6小时。通过清洗回收细菌细胞,以及通过铺板计数余下的存活细胞数量;小心地确保回收了所有存活的有机体。
光扩散光纤照明***对于粘附到每个基板的铜绿假单胞菌显示出适中的去定殖性质,而对于金黄色葡萄球菌则是有限的活性(表3)。更具体来说,与模拟处理细胞(遮光)进行对比,当粘附到衣物和聚苯乙烯时,铜绿假单胞菌展现出剂量响应依赖性影响,在4小时和6小时25mW/cm2处理之后,分别导致最大为2-log10和5-log10的存活能力下降。除了硅酮橡胶之外,当粘附到所有其他表面时,铜绿假单胞菌展现出可回收细胞的2-log10至3-log10的下降。对于金黄色葡萄球菌,25mW/cm2照射6小时(540J/m2)导致粘附到衣物、瓷砖、聚丙烯和聚苯乙烯的有机体的存活能力最大2至3-log10的下降,而当粘附到硅酮橡胶时,没有检测到对于有机体的抗微生物活性。类似地,光扩散光纤传递的405nm光在任何剂量(≤540J/m2)都没有对于测试定殖表面上的鲍氏不动杆菌的可检测的抗微生物效果。
表3:抗微生物效果非生物表面
Figure GDA0003650108510000211
Figure GDA0003650108510000221
Figure GDA0003650108510000231
结合在一起,这些结果表明,光扩散光纤照明***可适用于对医院环境常见的许多非生物表面上定殖的铜绿假单胞菌进行去定殖化以及对金黄色葡萄球菌以较小的程度进行去定殖化。此外,有效的去定殖化可能会需要比此处研究明显更高的蓝光剂量,采用更高的功率和/或更长的暴露时间。相反地,可能无法实现鲍氏不动杆菌的去定殖化,这与该有机体建立的良好的耐受性和耐受消毒剂和长期干燥的能力是相一致的。
光扩散光纤传递的405nm光对于培养的真核细胞和细菌病原体的对比。接着开拓技术对于宿主背景下作为治疗的潜力。为此,认识到建立蓝光的治疗指数(抗微生物剂量与人类细胞毒性的关系)是表征技术是否可能适用于治疗感染而不会引起广泛的附带宿主细胞损害的必要条件。因此,首先使用人体细胞毒性测量来建立起显示出有限人体细胞毒性的蓝光的相对安全剂量。为此,人结肠38细胞生长至50%或100%融合,并用各种剂量的405nm光照射4小时。以144J/cm2照射细胞,细胞在模拟处理的细胞中表现出96%至100%的代谢活性,而更高剂量导致预期的人类细胞毒性反应的细胞代谢显着降低(未显示)。因此,认为144J/cm2辐射是代表性宿主细胞耐受的最大蓝光剂量,并着手评估在≤144J/cm2的浮游生物生长过程中,蓝光是否可以对ESKAPE病原体提供与治疗有关的抗微生物活性。
分别用大约5x104的每种病原体接种含有MH肉汤的微量滴定板的各个孔,然后用光扩散光纤传递的405nm光处理1、2或4小时,大约等于31.3J/cm2、62.7J/cm2和125.4J/cm2。铺板计数余下的CFU数量;每种实验条件评估至少3次,并且计算起始CFU的平均下降(表4)。结果表明两种不同的易感性表型。金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和化脓性链球菌对于405nm辐射都是高度易感性的。更具体来说,分别来说,化脓链球菌在所有评估剂量(≥31J/cm2)下均展现出细胞存活能力的完全丧失,而金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌这两者均显示出剂量依赖性的抗微生物作用,在125.4J/cm2时具有细胞存活能力的最大且完全丧失。相反地,在液体培养条件下,测试的其他有机体没有显示出对于405nm光的明显易感性。总的来说,这些结果暗示了相对较低的人类细胞毒性阈值需要仔细考虑在宿主环境中与使用405nm光相关的潜在附带损害。但是,显示出最大治疗指数的两种有机体(化脓性链球菌和金黄色葡萄球菌)是脓疱性脓疱病的主要原因,表明光扩散光纤405nm光传递或照明***可能代表一种安全且有吸引力的策略,用于治疗干预这种严重的细菌性皮肤感染。
表4:抗微生物效果浮游生物生长条件
Figure GDA0003650108510000241
1灰色表明引起细胞活力降低≥102的条件;-表示没有可测量的效果。
405nm光对于金黄色葡萄球菌疾病相关的生长状态的效果的表征。相比于化脓性链球菌,金黄色葡萄球菌更倾向于引起多种多样的感染,严重程度从皮肤到肺部疾病和败血症。因此,作为评估在接近金黄色葡萄球菌疾病设置的条件下光扩散光纤405nm光传递的抗微生物性质的方法,我们评估了光传递或照明***是否能够在人血清或鼠肺表面活性剂的生长过程中向有机体传递抗微生物活性。
因此,将大约1x105指数期的金黄色葡萄球菌细胞转移到装有100%人血清或肺表面活性剂的微量滴定板的各个孔中,并暴露于≤144J/m2的405nm光。在人血清中的生长期间,通过光扩散光纤光传递或照明***传递的405nm光导致金黄色葡萄球菌生存能力呈剂量依赖性降低,当在62.7J/cm2和125J/cm2下照射时,分别导致可回收CFU降低1.65log和2log。在鼠肺表面活性剂中的生长期间,金黄色葡萄球菌看上去对于≤125J/cm2的低剂量暴露具有顽固性,但在250J/cm2下展现出完全丧失存活能力,尽管这个剂量预计会对宿主细胞有害(表4)。结合在一起,这些结果暗示了将来405nm光传递策略可以作为有效且安全的方案来降低***感染情况下的金黄色葡萄球菌负担,但是该方案可能对于治疗肺部感染不是有效/安全的。
在文献中,已经证实了高强度蓝色-紫色光(波长是约405nm至约470nm)是有效的抗微生物试剂。这些研究大部分使用LED或者其他泛光照明源。在这些实施例中,一个或多个实施方式用激光源和光扩散光纤传递405nm光的抗微生物能力。由于此类光扩散光纤沿其灵活和薄的形式的长度径向地传递光,其几何特性对于临床应用可能是有利的。光扩散光纤光传递或照明***和405nm光显示出对于ESKAPE细菌病原体以及表皮葡萄球菌、化脓性链球菌和真菌病原体白色念珠菌明显的抗微生物活性。
本公开内容的方面(1)属于光扩散光纤,其包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,以及围绕且接触包层的热塑性聚合物涂层,其中,所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,从而使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面;所述纤芯包括掺杂了300ppm或更多羟基材料的玻璃;所述包层包括掺杂了300ppm或更多羟基材料的玻璃;以及所述热塑性聚合物涂层掺杂了多个散射颗粒。
本公开内容的方面(2)属于方面(1)的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层包括氟化聚合物材料。
本公开内容的方面(3)属于方面(2)的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层的氟化聚合物材料包括:聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基烷烃、聚醚醚酮,或其组合。
本公开内容的方面(4)属于方面(1)至(3)中任一项的光扩散光纤,其中,所述多个散射颗粒包括Al2O3、BaSO4、SiO2、气体空穴,或其组合。
本公开内容的方面(5)属于方面(1)至(4)中任一项的光扩散光纤,其中,所述多个散射颗粒中的每个散射颗粒的横截面尺寸是约20nm至约5000nm。
本公开内容的方面(6)属于方面(1)至(5)中任一项的光扩散光纤,其中,当包含约250nm或更大波长的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括约0.5或更大的散射效率。
本公开内容的方面(7)属于方面(1)至(6)中任一项的光扩散光纤,其中,在约240nm或更大的波长,对于每100μm的层厚度,热塑性聚合物涂层包括约0.02或更小的吸收率。
本公开内容的方面(8)属于方面(1)至(7)中任一项的光扩散光纤,其中,纤芯的玻璃包括二氧化硅玻璃,以及包层的玻璃包括F掺杂的二氧化硅玻璃。
本公开内容的方面(9)属于方面(1)至(8)中任一项的光扩散光纤,其中,所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面,从而提供约50dB/km或更大的散射诱发的衰减。
本公开内容的方面(10)属于方面(1)至(9)中任一项的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层的所述多个散射颗粒构造成使得对于40至120度的所有观察角,最小与最大散射照射强度之差小于最大散射照射强度的50%。
本公开内容的方面(11)属于方面(1)至(10)中任一项的光扩散光纤,其中,所述多个散射颗粒包括气体填充的空穴。
本公开内容的方面(12)属于光扩散光纤,其包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,围绕包层的第一涂层,以及围绕第一涂层的热塑性聚合物涂层,从而使得第一涂层置于包层与热塑性聚合物涂层之间,其中,所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光从而使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面;所述纤芯包括掺杂了300ppm或更多羟基材料的玻璃;所述包层包括掺杂了300ppm或更多羟基材料的玻璃;所述第一涂层包括环脂族环氧化物,其在约250nm或更大的波长,具有每100μm层厚度约0.04或更小的吸收率;以及所述第一涂层包括掺杂在环脂族环氧化物中的多个散射颗粒。
本公开内容的方面(13)属于方面(12)的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层包括氟化聚合物材料。
本公开内容的方面(14)属于方面(13)的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层的氟化聚合物材料包括:聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基烷烃或者聚醚醚酮,或其组合。
本公开内容的方面(15)属于方面(12)至(14)中任一项的光扩散光纤,其中,所述多个散射颗粒包括Al2O3、BaSO4、二氧化硅、氟化聚合物颗粒、气体空穴,或其组合。
本公开内容的方面(16)属于方面(12)至(15)中任一项的光扩散光纤,其中,当包含约375nm或更大波长的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括约0.6或更大的散射效率。
本公开内容的方面(17)属于光扩散光纤,其包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,以及围绕包层的涂层,其中,所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光从而当引导光沿着纤芯传播时,一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面;所述纤芯包括掺杂了300ppm或更多羟基材料的玻璃;所述包层包括掺杂了300ppm或更多羟基材料的玻璃;所述涂层掺杂了多个散射颗粒;以及当包含约250nm或更大波长的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括约0.4或更大的散射效率。
方面(18)属于方面(17)的光扩散光纤,其中,涂层的所述多个散射颗粒构造成使得对于40至120度的所有观察角,最小与最大散射照射强度之差小于最大散射照射强度的50%。
方面(19)属于方面(17)或方面(18)的光扩散光纤,其中,所述多个散射颗粒包括Al2O3、BaSO4、SiO2、氟化聚合物颗粒、气体空穴,或其组合。
方面(20)属于方面(17)至(19)中任一项的光扩散光纤,其中,掺杂了所述多个散射颗粒的涂层包括热塑性聚合物涂层。
本公开内容的方面(21)属于包括光扩散光纤和光输出装置的照明***,所述光扩散光纤包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,以及围绕并接触包层的热塑性聚合物涂层,其中,所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光从而使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面;纤芯和包层中的一个或两个包括掺杂了羟基材料的玻璃;以及热塑性聚合物涂层掺杂了多个散射颗粒;所述光输出装置构造成耦合到光扩散光纤的第一端部或第二端部中的任一个,其中,光输出装置包括光源,所述光源产生波长是约200nm至约500nm的光。
方面(22)属于方面(21)的照明***,其中,光输出装置耦合到光扩散光纤。
方面(23)属于包括光扩散光纤和光输出装置的照明***,所述光扩散光纤包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,围绕包层的第一涂层,以及围绕第一涂层的热塑性聚合物涂层,从而使得第一涂层置于包层与热塑性聚合物涂层之间,其中,所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光从而使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面;所述纤芯和包层包括玻璃;所述第一涂层包括环脂族环氧化物,其在约250nm或更大的波长,具有每100μm层厚度约0.04或更小的吸收率;以及所述第一涂层包括掺杂在环脂族环氧化物中的多个散射颗粒;所述光输出装置构造成耦合到光扩散光纤的第一端部或第二端部中的任一个,其中,光输出装置包括光源,所述光源产生波长是约200nm至约500nm的光。
方面(24)属于方面(23)的照明***,其中,光输出装置耦合到光扩散光纤。
方面(25)属于包括光扩散光纤和光输出装置的照明***,所述光扩散光纤包括:第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,以及围绕包层的涂层,其中,所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光从而当引导光沿着纤芯传播时,一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面;纤芯和包层中的任一个包括掺杂了300ppm或更多羟基材料的玻璃;所述涂层掺杂了多个散射颗粒;以及当包含约250nm或更大波长的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括约0.4或更大的散射效率;所述光输出装置构造成耦合到光扩散光纤的第一端部或第二端部中的任一个,其中,光输出装置包括光源,所述光源产生波长是约200nm至约500nm的光。
方面(26)属于方面(25)的照明***,其中,光输出装置耦合到光扩散光纤。
出于描述和限定本发明技术的目的,要注意的是,本文涉及的变量是参数或另一变量的“函数”并不旨在表示该变量仅仅是所列出的参数或变量的函数。相反,本文涉及的变量是所列出的参数的“函数”是开放式的,从而该变量可以是单个参数或者多个参数的函数。
还要注意的是,本文中所述的“至少一个”部件、元件等不应认为选择性使用修饰语“一个”或“一种”限于单独的部件、元件等。
需要注意,本文中以特定的方式“构造”是表示特定的性质、或者以特定的方式发挥功能,是结构性描述,而不是对预期的用途进行限制。更具体来说,本文所述的对部件进行“构造”的方式表示该部件现有的物理条件,因此可以将其看作该部件的结构特征的限定性描述。
出于描述和限定本发明技术的目的,要注意的是,术语“基本上”和“约”在本文中用来表示可归属于任何定量比较、数值、测量或其他表达的固有不确定程度。本文所用术语“基本”和“约”还用来表示数量的表达值与所述的参比值的偏离程度,这种偏离不会导致所讨论的主题的基本功能发生改变。
在结合具体实施方式详细描述了本公开内容的主题之后,应当指出,本文所揭示的各种细节不应理解为暗示着这些细节涉及属于本文所述各种实施方式的实质性组成的要素,即使是在伴随本说明书的各个附图中所示的特定要素的情况下。此外,在不背离本公开内容的范围(包括但不限于所附权利要求书所限定的实施方式)的前提下,显然可以作出各种改变和变化。更具体地,尽管本公开内容的一些方面被认为是优选的或者特别有益的,但是考虑本公开内容不一定限于这些优选的方面。
要注意的是,以下权利要求书中的一项或多项权利要求使用术语“其中”作为过渡语。出于限定本发明技术的目的,应当指出,在权利要求中用该术语作为开放式过渡短语来引出对一系列结构特征的描述,应当对其作出与更常用的开放式引导语“包括”类似的解释。

Claims (21)

1.一种光扩散光纤,其包括:
第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,围绕包层的第一涂层,以及围绕第一涂层的热塑性聚合物涂层,从而使得第一涂层布置在包层与热塑性聚合物涂层之间,其中:
所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,从而使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面;
所述纤芯包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃;
所述包层包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃;
所述第一涂层包括环脂族环氧化物,其在250nm或更大的波长具有每100μm层厚度0.04或更小的吸收率;以及
所述第一涂层包括掺杂在环脂族环氧化物中的多个散射颗粒。
2.如权利要求1所述的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层包括氟化聚合物材料。
3.如权利要求2所述的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层的氟化聚合物材料包括:聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基烷烃或聚醚醚酮,或其组合。
4.如权利要求1-3中任一项所述的光扩散光纤,其中,所述多个散射颗粒包括Al2O3、BaSO4、二氧化硅、氟化聚合物颗粒、气体空穴,或其组合。
5.如权利要求1-3中任一项所述的光扩散光纤,其中,当包含375nm或更大波长的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括0.6或更大的散射效率。
6.一种光扩散光纤,其包括:
第一端部,与第一端部相对的第二端部,纤芯,围绕纤芯的包层,外表面,位于纤芯中、位于包层中或者位于纤芯和包层这两者中的多个散射结构,以及围绕包层的涂层,其中:
所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,从而使得当引导光沿着纤芯传播时,一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面;
所述纤芯包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃;
所述包层包括掺杂了300ppm或更多的羟基材料的玻璃;
所述涂层掺杂了多个散射颗粒;以及
当包含250nm或更大的波长的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括0.4或更大的散射效率。
7.如权利要求6所述的光扩散光纤,其中,涂层的所述多个散射颗粒构造成使得对于40至120度的所有观察角,最小与最大散射照射强度之差小于最大散射照射强度的50%。
8.如权利要求6所述的光扩散光纤,其中,所述多个散射颗粒包括Al2O3、BaSO4、SiO2、氟化聚合物颗粒、气体空穴,或其组合。
9.如权利要求6-8中任一项所述的光扩散光纤,其中,掺杂了所述多个散射颗粒的涂层包括热塑性聚合物涂层。
10.如权利要求9所述的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层包括氟化聚合物材料。
11.如权利要求10所述的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层的氟化聚合物材料包括:聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基烷烃、聚醚醚酮,或其组合。
12.如权利要求6-8中任一项所述的光扩散光纤,其中,在240nm或更大的波长,对于每100μm的层厚度,热塑性聚合物涂层包括0.02或更小的吸收率。
13.如权利要求6-8中任一项所述的光扩散光纤,其中,纤芯的玻璃包括二氧化硅玻璃,以及包层的玻璃包括F掺杂的二氧化硅玻璃。
14.如权利要求6-8中任一项所述的光扩散光纤,其中,所述多个散射结构构造成朝向光扩散光纤的外表面散射引导光,使得一部分的引导光沿着光扩散光纤的扩散长度扩散通过外表面,从而提供50dB/km或更大的散射诱发的衰减。
15.如权利要求6-8中任一项所述的光扩散光纤,其中,热塑性聚合物涂层的所述多个散射颗粒构造成使得对于40至120度的所有观察角,最小与最大散射照射强度之差小于最大散射照射强度的50%。
16.如权利要求6-8中任一项所述的光扩散光纤,其中,掺杂了所述多个散射颗粒的涂层包括第一涂层,以及其中,热塑性聚合物涂层围绕第一涂层使得第一涂层布置在包层与热塑性聚合物涂层之间。
17.如权利要求16所述的光扩散光纤,其中,第一涂层包括环脂族环氧化物,其在250nm或更大的波长具有每100μm层厚度0.04或更小的吸收率。
18.如权利要求16所述的光扩散光纤,其中,当包含375nm或更大波长的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括0.6或更大的散射效率。
19.如权利要求17所述的光扩散光纤,其中,当包含375nm或更大波长的引导光沿着纤芯传播以及一部分的引导光扩散通过外表面时,光扩散光纤包括0.6或更大的散射效率。
20.一种照明***,其包括:
如权利要求1-3和6-8所述的光扩散光纤;以及
光输出装置,其构造成耦合到光扩散光纤的第一端部和第二端部中的任一个,其中,光输出装置包括光源,所述光源产生波长是200nm至500nm的光。
21.如权利要求20所述的照明***,其中,光输出装置耦合到光扩散光纤。
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