華南理工大學(xué)楊中民、甘久林AM：新型生物相容液晶彈性體光纖助力精準(zhǔn)內(nèi)窺鏡手術(shù)

在醫(yī)療科技快速發(fā)展的今天，液晶彈性體作為一種刺激響應(yīng)材料，因其在光、熱等刺激下可發(fā)生可控形變而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)光熱響應(yīng)液晶彈性體的相變溫度通常超過80°C，遠(yuǎn)高于人體安全閾值，存在熱損傷風(fēng)險；同時，其依賴自由空間光路驅(qū)動的模式在人體密閉腔道內(nèi)難以實現(xiàn)有效操控，這兩大難題嚴(yán)重阻礙了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床應(yīng)用。

近日，華南理工大學(xué)楊中民教授、甘久林研究員課題組成功開發(fā)出一種基于硫醇-烯交聯(lián)的液晶彈性體光纖致動器，為上述挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新解決方案。該材料具有與人體溫度相匹配的相變溫度（37.6°C），并通過同軸擠出技術(shù)制成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖，實現(xiàn)了超低光學(xué)損耗（0.76 dB cm?1）。在808納米近紅外激光刺激下，該光纖可在23秒內(nèi)產(chǎn)生30%的收縮應(yīng)變，同時表面溫度始終低于48°C。研究團(tuán)隊將其集成于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，成功在活體大鼠和兔子體內(nèi)實現(xiàn)了精準(zhǔn)導(dǎo)航、出血檢測以及激光引導(dǎo)的腫瘤消融治療，組織病理學(xué)分析證實其未對接觸組織造成熱損傷。相關(guān)論文以“Biocompatible Liquid Crystal Elastomer Optical Fiber Actuator for In Vivo Endoscopic Navigation and Laser Ablation Therapy”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊首先從設(shè)計和制造入手，革新了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的剛性機(jī)械彎曲組件。傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡依賴金屬纜線和鏈條傳動系統(tǒng)實現(xiàn)彎曲，其高彈性模量與人體軟組織嚴(yán)重不匹配，易導(dǎo)致醫(yī)源性損傷，且雙向彎曲能力有限。為此，團(tuán)隊設(shè)計并制造了柔軟的液晶彈性體光學(xué)纖維。通過兩步法硫醇-烯點擊化學(xué)合成低相變溫度液晶彈性體材料，并利用同軸擠出技術(shù)連續(xù)生產(chǎn)具有芯-包層結(jié)構(gòu)的液晶彈性體光纖。擠出過程中的剪切力和重力誘導(dǎo)液晶分子沿纖維軸定向排列，再經(jīng)紫外線固化永久固定，最終制得表面光滑、直徑約450微米的光纖。

圖1：用于激光致動醫(yī)用內(nèi)窺鏡的柔性彎曲組件設(shè)計與制造。 a) 由鋁合金張力纜線和不銹鋼樞軸組件組成的傳統(tǒng)剛性內(nèi)窺鏡彎曲機(jī)制。 b) 通過近紅外激光光熱控制實現(xiàn)全向運動的柔軟液晶彈性體光纖彎曲模塊。 c) 用于低相變溫度液晶彈性體合成的兩步法硫醇-烯點擊化學(xué)：（階段1）邁克爾加成驅(qū)動的低聚物形成；（階段2）紫外線引發(fā)的交聯(lián)。 d) 通過同軸擠出連續(xù)制造芯-包層液晶彈性體光纖。液晶基元的排列由剪切力和重力誘導(dǎo)，并通過紫外線固化穩(wěn)定。

圖2：液晶彈性體光纖的基本特性。 a) 純液晶彈性體光纖在打結(jié)狀態(tài)下的光傳輸照片（底部為650納米激光注入），證明了超過7厘米的有效光傳播。 b) 液晶彈性體光纖在相對于交叉偏振片90°（左）和45°（右）方向觀察的偏振光顯微鏡圖像。 c) 通過暗場散射法測量的、摻與不摻碳納米管的液晶彈性體光纖的光學(xué)衰減隨長度的變化。 d) 差示掃描量熱法熱分析圖，展示了通過改變交聯(lián)劑濃度（0–0.20 wt.%）實現(xiàn)的相變溫度調(diào)制（107.2 至 37.6 °C），由20 °C min?1加熱速率下的吸熱峰位移證明。

隨后，團(tuán)隊系統(tǒng)地表征了這種新型光纖的基本特性與光熱致動性能。光纖在打結(jié)狀態(tài)下仍能有效傳輸650納米激光超過7厘米，證明了其良好的波導(dǎo)光約束能力。偏振光顯微鏡圖像顯示出顯著的光學(xué)各向異性，證實了液晶分子的優(yōu)異單軸排列。通過調(diào)整交聯(lián)劑濃度，研究人員將材料的相變溫度精確調(diào)控至37.6°C。在光熱性能測試中，光纖在近紅外激光照射下展現(xiàn)出快速響應(yīng)、應(yīng)變飽和和完全可逆的恢復(fù)三個階段。即便在承受高達(dá)自身重量1765倍的負(fù)載下，它仍能保持17%的收縮應(yīng)變，顯示出強(qiáng)大的負(fù)載能力。循環(huán)測試超過128次后，其性能衰減極小，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性。在水下環(huán)境中，光纖同樣能有效工作，雖然因?qū)α魃嵩鰪?qiáng)導(dǎo)致應(yīng)變略有下降，但功能完整性得以保持。細(xì)胞毒性實驗證實材料浸提液培養(yǎng)下的細(xì)胞存活率超過90%，生物相容性良好。

圖3：低相變溫度液晶彈性體光纖的光熱致動性能。 a) 在808納米近紅外激光刺激（360毫瓦）下，收縮應(yīng)變和表面溫度隨時間變化的曲線。 b) 光熱致動期間（230毫瓦）表面溫度分布的紅外熱成像圖。 c) 超過128個致動循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性（360毫瓦，20秒開/15秒關(guān)）。左圖：全范圍收縮應(yīng)變保持（初始27.0 ± 0.3% vs 最終26.2 ± 0.5%應(yīng)變，2.9%衰減）。右圖：放大的末尾循環(huán)（第118–128次）顯示<2%的應(yīng)變波動。 d) 在375毫瓦激光刺激下，負(fù)載依賴的應(yīng)變衰減（176-1765g?, g?=6.8毫克）。 e) 在固定176g?負(fù)載下，激光功率與應(yīng)變的關(guān)聯(lián)（75–375毫瓦），展示了線性光熱響應(yīng)（35–48 °C溫度范圍）。 f) 在275毫瓦激光脈沖（2, 6, 10, 15, 和18秒持續(xù)時間）下，應(yīng)變隨時間的變化。 g) 在24 °C去離子水中的水下致動性能（120毫瓦，16秒），顯示12%的收縮應(yīng)變，比空中操作減少25%。

基于此光纖，團(tuán)隊構(gòu)建了一套柔性內(nèi)窺鏡致動系統(tǒng)。該系統(tǒng)將三根液晶彈性體光纖以120度等邊三角形布局集成于內(nèi)窺鏡探頭外圍。通過選擇性照射其中一根光纖，可誘導(dǎo)其局部收縮，從而產(chǎn)生使探頭向該方向彎曲的力矩；協(xié)同調(diào)制多根光纖的激光功率，則能實現(xiàn)全向彎曲控制。紅外熱成像顯示，在激光驅(qū)動下，探頭表面溫度與彎曲角度同步上升，最高彎曲角度達(dá)94°，而溫度始終控制在48°C以下。系統(tǒng)在105次循環(huán)測試中表現(xiàn)出穩(wěn)定的彎曲角度與恢復(fù)能力，驗證了其可靠的循環(huán)耐久性。

圖4：低相變溫度液晶彈性體光纖致動內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的光熱致動性能。 a) 系統(tǒng)示意圖（左）和彎曲機(jī)制特寫（右），展示了三根液晶彈性體光纖沿內(nèi)窺鏡攝像頭纜線的集成。選擇性808納米近紅外激光刺激在單根光纖中誘發(fā)局部光熱收縮，產(chǎn)生定向彎曲力矩，使探頭尖端轉(zhuǎn)向被激活的光纖方向。協(xié)調(diào)調(diào)制多根光纖的激光功率，通過收縮力的矢量疊加實現(xiàn)全向操控。 b) 向上彎曲期間（312毫瓦激光功率，0–24秒）的紅外熱成像序列，將表面溫度（24.5–45.1 °C）與彎曲角度（0–89°）相關(guān)聯(lián)。 c) 激光功率依賴的彎曲響應(yīng)（0–375毫瓦），顯示S形角度響應(yīng)，在375毫瓦時最大偏轉(zhuǎn)角達(dá)93°。 d) 被808納米激光刺激激活期間和之后的時間-彎曲與熱曲線，顯示5秒內(nèi)快速達(dá)到60°偏轉(zhuǎn)（40 °C），峰值性能為94°（48 °C）。 e) 超過105個致動循環(huán)的循環(huán)穩(wěn)定性（70毫瓦，每周期12秒：5秒開/7秒關(guān)），保持26°彎曲角度，波動<2%（右圖：末尾17個循環(huán)）。

最終，該內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在兩種活體動物模型上進(jìn)行了功能驗證。在大鼠胃腸道中，通過選擇性驅(qū)動不同光纖，實現(xiàn)了對上下左右各方向黏膜的觀察，并成功定位了出血點。在攜帶VX2肝腫瘤的家兔模型中，內(nèi)窺鏡在光纖驅(qū)動下導(dǎo)航至腫瘤區(qū)域，隨后集成的治療激光光纖被激活，對多個腫瘤進(jìn)行了精準(zhǔn)的激光消融治療。治療后組織切片顯示，接觸區(qū)域組織架構(gòu)完整，未觀察到熱損傷跡象，充分證明了該系統(tǒng)在體內(nèi)的操作安全性與治療有效性。

圖5：低相變溫度液晶彈性體光纖致動內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的體內(nèi)導(dǎo)航和激光消融演示。 a) 內(nèi)窺鏡平臺部署于兩個活體動物模型的示意圖：攜帶VX2腫瘤的新西蘭白兔和斯普拉格-杜利大鼠。中線腹部切口（家兔1厘米，大鼠0.5厘米）允許內(nèi)窺鏡探頭插入腫瘤植入的家兔肝實質(zhì)和大鼠胃腸道腔道5–10厘米。探頭結(jié)合軸向排列的低相變溫度液晶彈性體光纖，在全身麻醉下通過腹部切口導(dǎo)航，通過耦合的105/125微米石英光纖傳輸?shù)?08納米激光刺激實現(xiàn)全向彎曲。對于家兔肝腫瘤模型，探頭還額外集成了一根平行排列的治療激光光纖。 b) 斯普拉格-杜利大鼠胃腸道內(nèi)的激光引導(dǎo)多方向成像。上下圖板顯示不同的胃腸道腔區(qū)域（上/下/左/右），展示了方向控制和黏膜可視化能力。 c) 晚期VX2肝腫瘤的光熱消融。序貫激光治療實現(xiàn)了對腫瘤1的近完全消融和對腫瘤2、3的部分消除，驗證了腫瘤選擇性治療能力。

這項研究成功創(chuàng)建了一種集成了組織兼容力學(xué)特性與生物安全相變溫度的光熱響應(yīng)液晶彈性體光纖平臺。它利用光波導(dǎo)實現(xiàn)遠(yuǎn)程無電驅(qū)動，其模量與軟組織匹配，工作溫度低于50°C，從根本上避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的電風(fēng)險、機(jī)械不匹配和熱損傷問題。未來，通過材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)微型化和引入閉環(huán)智能控制，有望進(jìn)一步縮短響應(yīng)時間，實現(xiàn)更自主、精準(zhǔn)的體內(nèi)導(dǎo)航與治療。這項技術(shù)為在腦血管、胰管等復(fù)雜解剖環(huán)境中實施微創(chuàng)介入治療開辟了嶄新的前景，標(biāo)志著向智能、自適應(yīng)醫(yī)療機(jī)器人邁出了關(guān)鍵一步。