近红外纳米探针、制备方法及全息分子影像导航系统与流程

本公开属于纳米医药和医学工程技术领域，涉及一种近红外纳米探针、制备方法及全息分子影像导航系统。

背景技术：

肝癌是是我国最常见的肿瘤之一，死亡率较高。在肝癌治疗中，手术治疗是治疗的首选。然而，肝癌切除术中，存在着肿瘤边界难以精准识别，癌栓难以有效检测等重大临床问题。随着分子影像技术的不断发展，利用近红外荧光设备进行导航的手术得以实现。

分子影像导航系统指导下的肝癌手术需要生物安全性高、稳定性高和荧光量子产率高的近红外探针。荧光染色吲哚菁绿(icg)、新吲哚菁绿ir-820及花菁类染料由于在800nm左右具有较强的吸收和发射特性，并且具有较好的生物安全性，且icg是应用广泛的一类近红外染料，并且在临床上应用于肝脏功能的测试，因此在近红外荧光设备进行导航的手术具有应用价值，但是icg等荧光分子具有易分解，体内持续时间短等缺点，而且将icg注射进入肝动脉之后，现有的与之匹配的分子影像导航系统，无法清晰地分辨出癌症的区域以及和正常组织之间的边界。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种近红外纳米探针、制备方法及全息分子影像导航系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种近红外纳米探针的制备方法，包括：得到近红外荧光染料的混合溶液；往混合溶液中加入碘化油注射液；将加入碘化油注射液的混合溶液中有机溶剂挥发，得到碘化油混合溶液；将纳米表面活化剂溶于无水乙醇中，得到纳米表面活化剂溶液；将纳米表面活化剂溶液和碘化油混合溶液加入聚乙二醇溶液中，形成纳米制剂；以及将纳米制剂过滤，得到近红外纳米探针。

在本公开的一些实施例中，往混合溶液中加入碘化油注射液的步骤中，碘化油注射液包裹所述近红外荧光染料；将纳米表面活化剂溶液和碘化油混合溶液加入聚乙二醇溶液中，形成纳米制剂的步骤包括：将聚乙二醇加入到超纯水中并加热煮沸，得到聚乙二醇溶液；并将纳米表面活化剂溶液和碘化油混合溶液依次逐滴加入到该沸水溶液中，机械搅拌，形成纳米制剂。

在本公开的一些实施例中，得到近红外荧光染料的混合溶液的步骤包括：利用有机溶剂溶解近红外染料，超声使其混合均匀；往混合溶液中加入碘化油注射液的步骤之后还包括：继续超声，使加入碘化油注射液的混合溶液混合均匀；形成纳米制剂之后的步骤还包括：利用超声探头作用纳米制剂，使其均匀分散。

在本公开的一些实施例中，将加入碘化油注射液的混合溶液中的有机溶剂挥发的步骤包括：采用水浴的方式加热加入碘化油注射液的混合溶液，使有机溶剂挥发。

在本公开的一些实施例中，近红外荧光染料为以下染料中的一种：吲哚菁绿、新吲哚菁绿ir-820或花菁类染料；有机溶剂为氯仿溶液；纳米表面活化剂为以下材料中的一种：聚甘油酯、吐温-20、蔗糖脂肪酸酯、聚甘油酯或卵磷脂；吲哚菁绿的质量介于5mg～10mg之间；氯仿溶液的体积介于4ml～6ml之间；加入碘化油注射液的体积介于480μl～520μl之间；水浴的温度介于68℃～88℃之间。

在本公开的一些实施例中，纳米表面活化剂为聚甘油酯；聚甘油酯的质量为：100mg；无水乙醇的体积为：200ml；聚乙二醇的质量为：180mg；超纯水的体积为：25ml；滤膜的尺寸为220nm；水浴的温度为70℃；将聚甘油酯溶液和碘化油混合溶液滴入沸水中进行机械搅拌的时间介于10min～30min之间。

根据本公开的另一个方面，提供了一种近红外纳米探针，采用以上任一种近红外纳米探针的制备方法制备。

在本公开的一些实施例中，近红外纳米探针呈现纳米球结构，该纳米球结构的粒度介于55nm～70nm之间。

根据本公开的又一个方面，提供了一种全息分子影像导航系统，与以上任一种近红外纳米探针配套使用，其中，在肝动脉注射该近红外纳米探针以后，利用全息分子影像导航系统对肝脏进行影像导航，从而分辨出肝癌区域以及和正常组织的边界。

在本公开的一些实施例中，全息分子影像导航系统包括：近红外激光发射模块，用于向探测区域发射特定波段的近红外光；信号采集模块，用于采集探测区域的可见光图像和近红外光图像；图像处理模块，用于对采集到的可见光图像和近红外光图像进行实时融合及目标提取，并将融合图像中包含目标区域的最小等边三角形区域分割出来；以及全息眼镜模块，用于将分割出来的图像叠加在真实世界的目标上，实现增强现实的作用，并根据环境光强自动调节全息眼镜镜片上图像的亮度。

在本公开的一些实施例中，近红外激光发射模块包括：近红外激光光源，用于产生特定波长的近红外光；信号采集模块包括：二向色分光片和双ccd相机；其中，二向色分光片将所述双ccd相机所采集到的光信号分为低于某一波长数值的可见光信号和高于该某一波长数值的近红外光信号，并分别传输至双ccd相机的两个ccd芯片上；双ccd相机将ccd芯片上采集到的可见光图像和近红外光图像传输至图像处理模块。

在本公开的一些实施例中，图像处理模块包括：微处理器、图像融合模块和图像分割模块；其中，图像融合模块在微处理器的控制下对双ccd相机采集到的可见光图像和近红外光图像进行实时融合；图像分割模块在微处理器的控制下对融合图像进行目标提取，所提取的目标是近红外图像中的荧光部分；然后，将融合图像中包含目标区域的最小等边三角形区域分割出来；全息眼镜模块包括：感光模块、空间映射模块和智能处理器；其中，感光模块在所述智能处理器的控制下，根据环境光强，自动调节全息眼镜镜片上图像的亮度；空间映射模块在智能处理器的控制下，将图像处理模块分割出来的图像通过空间映射叠加到真实世界的目标上，实现增强现实的目的；智能处理器还能控制全息眼镜进行环境扫描和空间定位。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的近红外纳米探针、制备方法及全息分子影像导航系统，具有以下有益效果：

通过碘化油将icg分子进行包裹制备成的近红外纳米探针，粒度较小；通过加入纳米表面活化剂并优化纳米探针成分及制备组装过程，使得制备的纳米探针理化性能更加稳定，并且具有了优异的荧光增强效果以及生物稳定性；同时结合配套的全息分子影像导航系统，可以清晰地分辨出癌症的区域，确定肝癌边界，从而实现精确的癌症病灶的切除。

附图说明

图1为根据本公开实施例icg近红外纳米探针的制备方法流程图。

图2a为根据本公开实施例制备的icg近红外纳米探针的tem图。

图2b为根据本公开实施例制备的icg近红外纳米探针的粒度分析图。

图3a为根据本公开实施例制备的icg近红外纳米探针与普通的icg的吸收曲线图。

图3b为根据本公开实施例制备的icg近红外纳米探针与普通的icg的荧光成像图。

图4为根据本公开实施例与近红外纳米探针配套的全息分子影像导航系统的结构示意图。

具体实施方式

本公开提供的近红外纳米探针、制备方法及全息分子影像导航系统，通过碘化油将icg分子进行包裹，在多种纳米表面活化剂作用下，制备成的近红外纳米探针，粒度小于100nm，结构稳定并且展示了优异的荧光增强效果以及生物稳定性；同时结合配套的全息分子影像导航系统，可以清晰地分辨出癌症的区域，确定肝癌边界，从而实现精确的癌症病灶的切除。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

碘化油作为临床上应用的ct造影剂也可以被应用在纳米光学探针的制备中。本公开提出了一种近红外纳米探针，是采用碘化油将icg分子进行包裹制成的，其制备方法独特，并通过控制活化剂成分及含量，确保了制备出来的近红外纳米探针光学性能优良。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种近红外纳米探针的制备方法。图1为根据本公开实施例icg近红外纳米探针的制备方法流程图，如图1所示，本公开近红外纳米探针的制备方法，包括：

步骤s102：利用有机溶剂溶解近红外荧光染料，采用超声波清洗器超声使其混合均匀，得到混合溶液；

由于具有较好的生物安全性，吲哚菁绿在临床上应用于肝脏功能的测试，因此本实施例中采用的近红外荧光染料为：吲哚菁绿，有机溶剂为氯仿溶液，其中，吲哚菁绿的质量为：5mg～10mg；氯仿溶液的体积介于4ml～6ml，本实施例氯仿溶液的体积为：5ml；超声的时间为5min；

对于其它的应用场景，可以是其他的近红外荧光染料，如新吲哚菁绿ir-820或花菁类染料，选择相应的有机溶剂对其进行溶解即可，一般选择非极性有机溶剂；

步骤s104：往混合溶液中加入碘化油注射液，继续超声；

加入碘化油注射液的体积介于480μl～520μl之间，本实施例中加入碘化油注射液的体积为：500μl，超声的时间为5min；

步骤s106：将加入碘化油注射液的混合溶液置于水浴中，直至有机溶剂完全挥发，得到碘化油混合溶液；

本实施例中水浴的温度为：70℃；由于本实施例中有机溶剂采用的是氯仿溶液，其沸点为：61～62℃，优选水浴的温度介于68℃～88℃之间，因而选择水浴温度略高于该沸点；需要说明的是，本公开不局限于水浴温度介于68℃～88℃之间，而是只要符合水浴温度超过有机溶剂的沸点，并且不超过碘化油的分解温度即可；

步骤s108：将聚甘油酯溶于无水乙醇中，得到聚甘油酯溶液；

纳米表面活化剂包括：聚甘油酯、吐温-20、蔗糖脂肪酸酯、聚甘油酯或卵磷脂等；

本实施例中，称取100mg聚甘油酯，溶于200μl无水乙醇中；

步骤s110：将聚乙二醇加入到超纯水中并加热煮沸；并将聚甘油酯溶液和碘化油混合溶液依次逐滴加入到上述沸水中，机械搅拌，形成纳米制剂，并利用超声探头作用纳米制剂，使其均匀分散；

本实施例中将180mg聚乙二醇加入到25ml超纯水中并加热煮沸；

超纯水为up水，即常温(25℃)下电阻率达到18mω·cm的水；

本实施例中机械搅拌的时间为10min～30min；

本实施例中超声作用的工作参数设置如下：脉冲：2s/2s；功率：150w，频率：20khz；超声的时间为：15min；

步骤s112：将纳米制剂利用低速离心去除沉淀，然后利用滤膜过滤，得到近红外纳米探针；

本实施例中滤膜的尺寸为220nm；将得到的近红外纳米探针避光保存。

需要说明的是，以上列举的具体实验参数，仅仅作为本公开的一个具体例子进行说明，实际实验中可根据实际需要将超声时间、化学生物试剂以及其用量、配比等实施合理的变化。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种近红外纳米探针，该近红外纳米探针的近红外荧光染料为吲哚菁绿，采用第一个实施例的近红外纳米探针的制备方法制备。

图2a为根据本公开实施例制备的icg近红外纳米探针的tem图；图2b为根据本公开实施例制备的icg近红外纳米探针的粒度分析图。

结合图2a和图2b可知，制备的该近红外纳米探针是粒度均一的纳米球结构，结构稳定；该纳米探针在水溶液中的平均直径为62.88nm，粒度较小，并且均一稳定，而粒度较小的纳米探针为了进一步的生物研究提供了保障。不局限于本实验中公开的纳米球结构的粒度，其粒度可以是介于55nm～70nm之间的任何一个值，或者其他均匀分散、粒径均匀的近红外纳米探针都符合要求。

基于以上实施例中制备的icg近红外纳米探针，与普通的icg进行了性能对比测试。

图3a为根据本公开实施例制备的icg近红外纳米探针与普通的icg的吸收曲线图；图3b为根据本公开实施例制备的icg近红外纳米探针与普通的icg的荧光成像图。参照图3a可知，与普通的icg相比，通过将icg分子组装进碘化油纳米探针以后制备得到的icg近红外纳米探针在近红外的吸收明显增强。参照图3b可知，与普通的icg相比，icg近红外纳米探针具有非常明显的荧光增强，这对近红外荧光成像的应用具有显著的意义。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种与近红外纳米探针配套的全息分子影像导航系统。图4为根据本公开实施例与近红外纳米探针配套的全息分子影像导航系统的结构示意图，如图4所示，一种全息影像导航系统，包括：

近红外激光发射模块，用于向探测区域发射特定波段的近红外光；

信号采集模块，用于采集探测区域的可见光图像和近红外光图像；

图像处理模块，用于对采集到的可见光图像和近红外光图像进行实时融合及目标提取，并将融合图像中包含目标区域的最小等边三角形区域分割出来；以及

全息眼镜模块，用于将分割出来的图像叠加在真实世界的目标上，实现增强现实的作用，并根据环境光强自动调节全息眼镜镜片上图像的亮度。

在本实施例中，近红外激光发射模块包括的近红外激光光源为近红外激光器，可以用于产生特定波长的近红外光，比如，近红外激光器可以产生波长为810nm的近红外光，需要说明的是，本公开不局限于列举波长，还可以是其他红外光的波长，这里仅作参考范例。

在本实施例中，使用光纤将近红外激光器产生的近红外光传输至探测区域。

在本实施例中，信号采集模块包括：二向色分光片和双ccd相机，用于采集探测区域的可见光图像和近红外光图像，并传输至图像处理模块。其中，该二向色分光片可以为840nm分光片，将双ccd相机所采集到的光信号分为低于840nm的光信号和高于840nm的光信号，并分别传输至该相机的两个ccd芯片上。与之对应，该双ccd相机包括可见光ccd芯片和近红外光ccd芯片，分别用于接收低于840nm的光信号和高于840nm的光信号。

在本实施例中，图像处理模块包括：微处理器、图像融合模块和图像分割模块。图像融合模块在微处理器的控制下对双ccd相机采集到的可见光图像和近红外光图像进行实时融合；图像分割模块在微处理器的控制下对融合图像进行目标提取，所提取的目标是近红外图像中的荧光部分；然后，将融合图像中包含目标区域的最小等边三角形区域分割出来。

在本实施例中，采用小波变换进行图像融合，但本公开不局限于此，其他图像融合的方式也符合要求；

在本实施例中，采用卷积神经网络进行目标提取，但本公开不局限于此，其他目标提取的方式也符合要求。

在本实施例中，全息眼镜模块包括：感光模块、空间映射模块和智能处理器。感光模块在智能处理器的控制下，根据环境光强，自动调节全息眼镜镜片上图像的亮度。空间映射模块在智能处理器的控制下，将图像处理模块分割出来的图像通过空间映射叠加到真实世界的目标上，实现增强现实的目的。此外，智能处理器还能控制全息眼镜进行环境扫描和空间定位。

采用本实施例的全息分子影像导航系统能够将裸眼不能直接观测到的荧光图像与真实世界中的目标叠加在一起，实现增强现实的作用。通过在肝动脉注射该近红外纳米探针以后，利用全息分子影像导航系统，可以很清晰的分辨出肝癌区域以及和正常组织的边界，这对于影像手术导航下的诊断、治疗和手术有着显著的意义。

综上所述，本公开提供了一种近红外纳米探针、制备方法，通过碘化油将icg分子进行包裹，优选表面活性剂作用下制备成的近红外纳米探针，粒度较小，结构稳定并且展示了较好的荧光增强效果以及生物稳定性；同时结合配套的全息分子影像导航系统，可以清晰地分辨出癌症的区域，确定肝癌边界，从而实现精确的癌症病灶的切除。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。