医用光子晶体及其应用

光子晶体是一种在一维、二维或三维高度有序排列、具有光子带隙的人造周期性电介质结构。光波在其中传播时出现光子带隙，落入带隙的光将无法继续传播，也被称为“光子禁带”。自然界中光子晶体主要存在形式有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等，绝大多数光子晶体需要人工制备。

光子晶体因其具有特殊的结构色、周期性纳微结构及光子带隙，可以对光的传播进行调控。其特殊可控的颜色变化，使其在新型传感器以及颜料等方面有巨大的发展潜力：

随着中国医疗器械行业的发展和糖尿病患者的增多，血糖仪行业快速发展，近些年中国政府相继出台政策扶持血糖仪等医疗仪器行业，例如《加强集中带量采购中选医疗器械质量监管工作》《“十四五”医疗装备产业发展规划》《医疗器械监督管理条例》，保证医疗器械行业健康良好的发展，未来中国血糖仪行业在政策利好的背景下，发展前景良好。

目前主流的血糖检测为侵入式的检测，频繁创伤采血影响糖尿病患者的依从性。为开发无创葡萄糖传感技术，结合光子晶体的光学特性和凝胶的刺激响应性，实现对尿液中葡萄糖的特异性传感，且基于同源的技术可实现其他各种体液（例如汗液、唾液）的各种特异性物质（例如肌酐、尿酸、乳酸）的快速非侵入式检测，具有巨大的市场潜力。

此外，光子晶体的医用应用并不只局限于上述检测，通过对于移动智能设备、大数据以及人工智能等技术的综合应用，光子晶体可以用于多方位的健康监测、细菌病毒的高通量快速检测（例如新冠病毒、HIV病毒等）以及其他医用设备的使用监测。

图1.课题组研制的光子晶体尿糖检测原型机

图2.课题组研制的压力响应光子晶体

糖尿病患者的尿糖检测、膀胱内压强监测、导尿管压力监测等医疗器械，以及环境样本快速筛查、食品安全相关污染检测等相关领域。

传统的葡萄糖检测方法主要为血检，由于需要使用采血仪并且采样次数多，其带来的痛疼感以及可能导致的静脉炎使得患者依从性低；血糖检测的另一种策略是使用连续血糖监测系统（CGM），但是皮下植入会导致疼痛和感染。而在尿糖检测中，最常见的方法是试纸干化学法，需要使用葡萄糖氧化酶（GOD）和过氧化氢酶（CAT），原理是利用GOD将β-D-葡萄糖氧化成过氧化氢，再在过氧化氢酶作用下分解出高活性氧将试纸条中的无色化合物氧化以显色，该法存在酶易失活以及反应结果易被干扰的缺点。因此开发非侵入式、非酶法、定量检测葡糖浓度的新传感器是非常有必要的。而光子晶体尿糖传感器是一种无创检测技术，制作成本较低，制作周期短，使用方便，在市场上具有较强的竞争力，尤其在家用市场可以广泛的推广。光子晶体尿糖传感器的推广不仅会产生巨大的经济效益，还会产生巨大的社会效益。

同时，把该技术同智能手机和大数据结合，可以开发家用尿常规监测系统。针对新冠病毒、猴病毒、HIV等病毒，已开发了相关的环境样本快速筛查技术，拟尽快研发相关产品。以上技术还被应用于Ecoil、抗生素、有机磷农残等食品安全相关污染的检测。以上技术将用于多种可穿戴传感器的研发，其中尿糖传感器在浙江省某医院、西安某医院、北京某医院已开展了百例以上临床实验，相比于传统检测法有更高的准确性。这种实时、便捷、非侵入的检测方式，可以极大地改善糖尿病患者的生活质量。

此外，传统手术中使用的检测膀胱内压强装置无法实时监测膀胱内压强的变化情况，无法对病人膀胱内压强变化做出及时反应，从而导致严重后果。在传统监测装置中加入光子晶体压强传感平台，可实时监测乳胶气室中压强变化，医护人员通过观测平台的结构色便能精确把握乳胶气室内压强的变化，进而作出反应，大大减少手术中意外的发生，挽救更多的生命。导尿管是外科手术中最常用的医疗器械之一，压力指示导尿管如能研发成功将产生巨大的经济效益。