深部组织光生成 via 回音壁模式（WGM）激光 from 商业尼龙光纤 for 生物医学应用
生物组织中光的穿透深度通常受到光学扩散极限的限制，约为一个传输平均自由程（transport mean free path, l*），主要是由于多次散射。尽管回音壁模式（whispering gallery mode, WGM）微激光器是
生物组织中光的穿透深度通常受到光学扩散极限的限制，约为一个传输平均自由程（transport mean free path, l
），主要是由于多次散射。尽管回音壁模式（whispering gallery mode, WGM）微激光器是有前景的组织内光源，但其应用仅限于几百微米（μm）的深度，可能是由于小增益体积的低信号强度。这里，研究人员展示了一种使用直径约260 μm的功能化商用尼龙光纤，在显著超过扩散极限的深度实现了稳健的WGM激光。光纤的高折射率（n = 1.539）和机械柔韧性实现了高效的光学限制和组织整合。受益于增大的增益体积，在散射幻影中深度5 mm（高达53 l
）和猪皮下3 mm处保持了具有离散周期性共振的高质量WGM激光发射。这项工作确立了染料功能化尼龙光纤作为一种可扩展的结构，用于在光学挑战性生物环境中深处产生高质量光。未来将这种激光能力集成到现有医用丝线如缝合线中，可能为长期原位深部组织治疗和诊断铺平道路。
生物光学中，在深部组织内生成并传递高质量光对于治疗和成像至关重要，但生物组织具有高散射和吸收特性，严重限制了光穿透深度。通常，光在组织中的穿透深度受光学扩散极限限制，仅约一个传输平均自由程（l*，约1 mm），导致弹道光子模式（如共聚焦显微镜）仅适用于浅层组织。现有技术如扩散光学方法虽能实现更深穿透，但依赖于外部照明。回音壁模式（WGM）微激光器作为内部光源，通过全内反射在微腔中限制光线，具有高空间分辨率、窄线宽等优势，但先前研究仅能在数百微米深度工作，主要归因于小增益体积导致的弱信号。因此，需要开发一种能在深部散射环境中稳健工作的WGM激光器。
本研究中，研究人员采用直径约260 μm的商用尼龙纤维，通过浸润罗丹明6G（R6G）染料功能化，构建了主动WGM激光谐振腔。在散射幻影（Intralipid溶液，浓度1%–9%）和离体猪皮组织中，系统验证了该激光器的深部工作能力。结果显示，在5 mm深（对应53 l*）的散射幻影和3 mm深的猪皮下，均能检测到具有离散周期性共振峰的WGM激光发射，且腔直径稳定（约266 μm）。在模拟高黑色素含量的深色皮肤下，激光仍可维持；但在新鲜瘀伤区域（血红蛋白富集乐鱼处），因强吸收导致激光无法产生。所需泵浦能量在皮下组织中显著增加（3.75 mJ, 1.9 J/cm2），但未引起激光消融损伤，仅可能产生光热效应（如皮肤发红）。该研究证明了染料功能化尼龙纤维作为可扩展架构，能在光学挑战性环境中实现深部高质量光生成，为未来集成到医用缝合线等智能设备提供了基础，有望用于长期原位深部治疗和监测。论文发表在《Advanced Materials Technologies》。
研究人员采用的关键技术方法包括：1）染料功能化：将商用尼龙纤维（Rayher, Germany）浸入R6G水溶液（浓度加权）中≥24小时，使染料吸附于纤维表面，形成主动激光谐振腔。2）光学泵浦系统：使用Q开关Nd:YAG脉冲激光（532 nm, 5 ns脉冲, 0.5 Hz重复率）作为激发源，泵浦能量通过波片或Q开关延迟调节，聚焦光斑直径0.5 mm。3）光谱检测系统：发射光以45°（空气中）或0°（组织中，通过二色镜）收集，经过滤后进入带有ICCD探测器的光谱仪（Mechelle Me5000, Andor），分辨率0.1 nm（600 nm处）。4）散射幻影制备：使用不同浓度（1%、5%、9%）的Intralipid（IL）水溶液，厚5 mm，对应减散射系数（μs）为1.4、6.3、10.5 cm-1，模拟皮肤等组织散射特性。5）生物组织模型：采用新鲜猪肚皮（离体），皮肤层厚约3 mm，通过切口或分离皮下脂肪植入纤维。所有样本均来自商业来源，无伦理批准要求。
通过显微镜观察，R6G涂层后纤维直径几乎不变，表明染料层对几何形状影响极小。在空气中泵浦，当泵浦能量超过约0.55 mJ（0.28 J/cm2）时，出现离散激光峰，积分强度显著增加，标志激光阈值。减去荧光背景后，光谱显示等间距WGM模式，中心波长约575 nm，线。通过自由光谱范围（FSR）和快速傅里叶变换（FFT）计算腔直径，均与显微镜测量值（260 μm）高度一致，且在不同直径纤维上得到验证。
在5 mm厚、不同IL浓度（1%、5%、9%）的散射幻影中，纤维固定在底部，均成功检测到WGM激光发射，光谱显示周期性模式振荡，FFT谱有对应腔共振峰。腔直径在所有散射条件下稳定在约266 μm，与空气结果一致，表明散射强度不影响谐振特性。泵浦能量增加时，腔直径波动极小（±5 μm），证明高精度和可重复性。
将纤维植入猪皮下约3 mm深度（通过切口或分离脂肪层），激光发射仍可检测。光谱显示WGM特征峰，FFT腔直径与空气结果接近（偏差≤5 μm）。但所需泵浦能量显著增加至3.75 mJ（1.9 J/cm2），较空气中高10倍以上。通过激光诱导击穿光谱（LIBS）未检测到皮肤消融特征线（H、O、N、K、Na），且计算激光通量（1.9 J/cm2）低于猪皮消融阈值（12.9–36.7 J/cm2），但高于美国国家标准协会（ANSI）最大允许暴露（0.02 J/cm2），因此可能产生光热损伤如皮肤发红，但无消融损伤。
在深色皮肤（高黑色素）下，2.5 mm深度仍可检测到激光，腔直径稳定（266 μm）。但在新鲜瘀伤皮肤（高血红蛋白）下，即使泵浦能量增至20 mJ（接近消融阈值），仅观察到宽荧光，无激光模式。在瘀伤区域外的附近位置（P1）可成功激光，表明血红蛋白强吸收（尤其在532 nm泵浦波长）抑制了激光发射。最大检测深度在散射幻影中为5 mm，在猪皮中降至3 mm，归因于黑色素和血红蛋白的吸收。未来可通过改用近红外染料（如吲哚青绿ICG）或优化泵浦空间分布、腔几何结构来降低散射和吸收损失，提高安全极限。
研究人员成功演示了基于染料功能化尼龙纤维的WGM微激光器在深部组织中的激光生成。在散射幻影（5 mm, 53 l
）和猪皮（3 mm）中均实现稳健激光，穿透深度远超传统光学扩散极限。尽管需更高泵浦能量克服组织衰减，但未引起激光消融损伤，仅可能产生光热效应。该工作证明无需植入大尺寸波导即可实现深部激光传递，减少炎症风险。尼龙纤维成本低、生物相容性好，已用于缝合线等医疗丝线，未来集成激光能力有望用于深部组织粘合和术后伤口愈合的原位长期监测。研究结论指出，这种WGM微激光器为深部生物医学应用提供了安全、实用的光生成方案。