CN113332582A - 一种给药装置、给药系统、给药方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种给药装置、给药系统、给药方法及应用，给药装置包括连接器和给药工具，给药工具包括套管、给药微管、光学元件以及传感器，套管一端与连接器连接，套管远离连接器的一端为出口端，给药微管、光学元件和传感器均设置在套管内，给药微管的出药口位于出口端，光学元件的光线出射口位于出口端，传感器的敏感元件设置在套管的出口端，传感器用于获取植入位置的生理信号，生理信号用于监控给药工具植入位置组织的生理状态，利用给药工具将药物精准地输送到目标组织，利用光学元件对目标组织进行受控的光辐射，利用传感器对目标组织的生理状态进行监控，实现对目标组织的微创、原位、高精度、可实时调控的给药和治疗。

Description

一种给药装置、给药系统、给药方法及应用

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种给药装置、给药系统、给药方法及应用。

背景技术

以微创的方式对目标组织进行高精度的靶向给药，是临床上的挑战性难题。以脑部肿瘤为例，颅内肿瘤是发生于颅腔内的占位性癌变；其中脑癌发病率约占全身癌症比例的2％；恶性颅内肿瘤(如胶质母细胞瘤)往往具有高病变率和死亡率。针对肿瘤等脑部疾病治疗的主要方法有开颅手术、放射疗法、以及化学疗法等。但是，通过开颅进行手术的方法，创伤较大；且手术后仍然面临诸多风险，包括伤口感染，以及肿瘤的复发和转移；术后往往需要辅助化疗、放疗等，以延长患者的有效生存期。放射疗法易对病灶周围的正常组织造成损伤。临床上化疗常用的药物有紫杉醇、阿霉素等，化疗药物递送主要通过静脉注射的方式，静脉输注药物到达脑部病灶区之前，需要跨越血脑屏障。受脑部血管的致密结构形成的血管屏障的影响，药物难以穿透脑部血管到达病灶区域。

针对脑部疾病的治疗，需要开发一种给药装置，将药物以微创的方式，高精度地递送到病灶区，实现对脑部疾病的治疗或对脑部神经活动的调控。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种给药装置。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种给药装置，包括连接器和给药工具，给药工具包括套管、给药微管、光学元件以及传感器，所述套管一端与所述连接器连接，所述套管远离所述连接器的一端为出口端，所述给药微管、所述光学元件和所述传感器均设置在所述套管内，所述给药微管的出药口位于所述出口端，所述光学元件的光线出射口位于所述出口端，所述传感器的敏感元件设置在所述套管的出口端，所述传感器用于获取植入位置的生理信号，所述生理信号用于监控所述给药工具植入位置组织的生理状态。

有益效果：此给药装置，包括连接器和给药工具，给药工具包括套管、给药微管、光学元件以及传感器，套管一端与连接器连接，套管远离连接器的一端为出口端，给药微管和光学元件均设置在套管内，给药微管的出药口位于出口端，光学元件的光线出射口位于出口端，传感器的敏感元件设置在套管的出口端，传感器用于获取植入位置的生理信号，生理信号用于监控给药工具植入位置组织的生理状态，利用光学元件的光辐射或光刺激作用以及传感器对目标对象的实时监测，配合送药工具将药物精准地输送到目标对象，实现高精度、可实时调控的局部原位给药。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述套管为生物相容性金属套管或者生物相容性聚合物套管。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述套管和所述给药工具设置有生物相容性材料涂层或者采用生物相容性材料制备而成。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述给药工具还包括定位器，所述定位器设置在所述出口端，所述定位器用于将所述给药微管、所述光学元件和所述传感器在所述套管内的定位和固定。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述光学元件为光纤，所述光纤依次贯穿所述连接器和所述套管；或者，所述光学元件为发光二极管，所述发光二极管设置所述出口端。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述给药微管、所述光学元件以及所述传感器为多通道设置。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述给药工具还包括光学扩束结构，所述光学扩束结构用于对所述光学元件传导或者发射的出射光线进行扩束，或者对出射光线能量的空间分布进行调整和控制。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述光学扩束结构为凹透镜或者平面超透镜。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述光学扩束结构与所述光学元件一体成型或者可装配设置。

根据本发明第一方面实施例所述的给药装置，所述传感器为温度传感器、压力传感器、应变传感器、生理电极、光纤、生化传感器中的一种或多种。

根据本发明的第二方面实施例，提供一种给药系统，包括：第一方面实施例所述的给药装置、药物提供模块、光源模块、信号采集模块、控制模块以及电源模块，药物提供模块用于提供药物，所述药物提供模块通过所述连接器与所述给药微管连接，光源模块用于向目标组织发射光线，所述光源模块与所述光学元件相连，信号采集模块用于采集所述目标组织的生理信号，所述信号采集模块与所述传感器连接，控制模块与所述药物提供模块、光源模块和信号采集模块相连，电源模块用于向所述给药系统的各个模块供电。

根据本发明第二方面实施例所述的给药系统，所述给药系统为整体植入式的给药系统或者部分植入式的给药系统。

根据本发明的第三方面实施例，提供一种给药方法，采用第二方面实施例所述的给药系统，包括以下步骤：

将所述给药装置的所述套管的出口端植入目标组织；

所述控制模块控制所述传感器，采集目标组织的生理信号，反馈给所述药物提供模块和所述光源模块；

所述控制模块控制所述药物提供模块，并通过所述给药微管向目标组织进行受控地药物递送；

所述控制模块控制所述光源模块，并通过光学元件对目标组织辐射光线。

根据本发明第三方面实施例所述的给药方法，所述给药系统用于脑部微创给药时，还包括以下步骤：

确定目标组织在脑部的位置；

确定所述给药装置的植入路径以及在颅骨上的入口点；

沿规划的植入路径，在颅骨入口点，采用微孔开颅技术，在颅骨上加工微孔；

通过颅骨微孔，将所述给药装置的套管沿规划的植入路径植入脑部的目标组织；

将所述给药装置固定在颅骨上；

对目标组织进行受控的药物递送和光线辐射，并采集目标组织的生理信号。

根据本发明的第四方面实施例，提供一种给药系统在用于对目标组织的局部原位给药、光热治疗、光动力治疗、光遗传刺激以及神经刺激和调控的应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为本发明实施例给药装置的一种结构示意图；

图2为本发明实施例具有定位器的给药装置的一种结构示意图；

图3为本发明实施例给药装置的套管出口端为斜头结构示意图；

图4为本发明实施例给药装置的光学元件设置有凹透镜的光学扩束结构示意图；

图5为本发明实施例给药装置的光学元件设置有平面超透镜的光学扩束结构示意图；

图6为本发明对平面超透镜微纳结构优化得到在发射光线能量球面上具有局部能量峰的扩束结构示意图。

图7为本发明实施例给药系统的一种结构示意图；

图8为本发明实施例台盼蓝药物的灌注面积以及在一定灌注速率下的扩散体积结果数据图；

图9为本发明实施例整体植入式的给药系统的一种结构示意图；

图10为本发明实施例部分植入式的给药系统的一种结构示意图；

图11为本发明实施例给药系统在脑内目标对象给药时的使用方法示意图；

图12为本发明实施例给药系统不同激光功率下光热纳米药物的温度变化。

其中，101、连接器；102、给药导管；103、套管；104、给药微管；105、光学元件；106、传感器；201、定位器；401、光纤；402、发射光线；403、凹透镜；501、平面超透镜；901、目标对象；902、表皮；1101、颅骨；1102、入口点；1103、植入路径；1104、颅骨微孔

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

目前，在临床医学上存在难以对体内目标组织对象进行高精度的靶向原位给药的问题，为此本发明提出了一种给药装置。

参照图1，一种给药装置包括连接器101和给药工具，给药工具包括套管103、给药微管104、光学元件105以及传感器106，套管103一端与连接器101连接，套管103远离连接器101的一端为出口端，给药微管104、光学元件105和传感器106均设置在套管103内，给药微管104的出药口位于出口端，光学元件105的光线出射口位于出口端，传感器106的敏感元件设置在套管103的出口端，传感器106用于获取植入位置的生理信号，生理信号用于监控给药工具植入位置组织的生理状态。

给药工具的入口端为连接器101，连接器101将给药微管104、光学元件105、传感器106等固定在套管103内。连接器101的内部具有与给药微管104数量相对应的给药通道，给药导管102安装在连接器101一端，通过连接器101内部的给药通道与给药微管104相连接。

容易理解地，为了保证套管103在进入生物体内后能够有更好的匹配特性，套管103可以采用生物相容性金属套管或者生物相容性聚合物套管。具体地，生物相容性金属套管可以为生物相容性的不锈钢或者钛等金属材料来制作，生物相容性聚合物套管可以为PTFE或PEEK等材料制作。

为了改善套管103和生物组织的匹配特性，在套管103的外壁上可以加工一层与生物组织弹性模量相匹配的柔性生物相容性材料薄层，例如生物相容性水凝涂层等。进一步地，套管103的外径为60-3000μm，内径为40-2950μm。

给药微管104用于将药物输送到目标对象901进行给药，同样地，为了在药物运输的过程中保护药物，给药微管104可以采用满足生物相容性和流体动力学要求的材料来制作，例如，玻璃或者生物相容性的高聚物材料。具体地，一般可以采用石英玻璃、PEEK、PTFE以及PDMS等。进一步地，给药微管104的外径为30-1900μm，内径为20-1850μm。

光学元件105用于传导或者发射特定波长和强度的光线。具体地，光学元件105可以为光纤401或者发光二极管。其中，光纤401用于传导特定波长和强度的光线给目标对象901。光纤401可以采用塑料(如PMMA)、多组分玻璃或者石英等材料制成。光纤401的直径为10-2000μm。

发光二极管用于发射特定波长和强度的光线。光线的波长可以根据需求选择从紫外光至红外光之间的任意波长，发光二极管可以为无机发光二极管，也可以为柔性或者有机发光二极管。发光二极管的导线通过套管103，并经连接器101与光源模块连接。

传感器106用于采集目标对象901的生理信号。传感器106为温度传感器、压力传感器、应变传感器、生理电极、光纤、生化传感器中的一种或多种。

传感器106为微型传感器，微型传感器可以采用单通道或者多通道的微细电极，用于采集组织的生理信号，例如植入位置的神经信号，微细电极的直径为10-500μm，微细电极可以为单触点电极或者多触点电极。电极的材料可以为金、铂铱合金等金属材料制成，当然也可以采用基于石墨烯、PEDOT:PSS等无机或有机导电材料制成复合电极，微细电极除用于测量植入位置的电信号外，还可以用于向植入位置的组织施加特定强度、频率的电刺激信号，电极的直径为10-500μm。

当然，传感器106可以为电阻式热电偶、压力传感器、应变传感器，用于测量植入位置的组织的温度、生理压力(如颅内压或者血压等)、或者植入位置组织的运动变形等。传感器106也可以为生化传感器，如用于测量氧气、二氧化碳、一氧化氮等的气体传感器或者用于检测蛋白、氨基酸、糖、DNA、RNA等各种生物传感器。

如图3，给药工具的出口端可以为平头也可以设置为有一定倾斜角度的斜头，设置斜头的出口端可以用于降低给药工具穿透组织时的穿刺力。具体地，套管103尖端的倾斜为α，15°≤α≤80°。

参照图2，给药工具还包括定位器201，定位器201设置在出口端，定位器201用于将给药微管104、光学元件105和传感器106在套管103内的定位和固定。定位器201加工设置有与光学元件105、给药微管104以及传感器106位置相对应的安装孔，使用的时候直接套接在套管103的出口端，并将给药微管104、光学元件105和传感器106定位固定。定位器201可以采用基于生物相容性的材料，并用高精度的3D打印加工而成。

使用的时候，将定位器201按照对应的位置，与光学元件105、给药微管104以及传感器106安装后，采用定位夹具与套管103进行安装，定位器201的外径可以略小于套管103的内径，在定位器201的外壁涂覆生物相容性树脂/高聚物后插入套管103，树脂/高聚物固化后，可以实现定位器201和套管103的密封和固定，定位器201的外径可以略大于套管103的内径，以过盈配合的方式实现和套管103的密封固定。

给药工具的光学元件还包括光学扩束结构，光学扩束结构用于对光学元件105传导或者发射的出射光线进行扩束，或者对出射光线的能量分布进行调整。参照图4，具体地，光学元件105为光纤401，光纤401依次贯穿连接器101和套管103。在光纤401的末端加工集成光线的光学扩束结构，因为光纤401的出射光线近乎为直光束，可以对光线进行扩束，以辐射更大面积/体积的目标组织。为了对出射光线进行扩束，可以在光纤401的末端，采用精密制造技术，如精密磨削或者等离子体刻蚀或者湿法刻蚀等，加工凹透镜403，实现对出射光线扩束的目的，通过对凹透镜403的曲面形状进行设计，可以对光线的扩束角β进行调控。

参照图5，容易理解地，光学扩束结构也可以为平面超透镜501。平面超透镜501可以采用微纳加工技术，直接加工在光纤401的末端，平面超透镜501也可以加工在对特定波长的出射光线具有低吸收度的衬底材料上，经过切割后，采用键合和粘结等工艺，将加工的平面超透镜501安装在光纤401的末端。通过对平面超透镜501微纳结构的设计，利用平面超透镜501可以实现对光纤401出射光线的扩束。

在光纤401的末端设置一体成型的光学扩束结构或者可装配设置的光学扩束结构，得到更大发散角的出射光线，从而使得更大范围内的目标组织受到出射光的照射。

当然，为了更好的效果，可以对平面超透镜501进行优化设计。对平面超透镜501的微纳结构进行优化设计，可以将能量沿球面均匀传播的出射光束调整为局部具有高能量密度的出射光线。

参照图5和图6，发射光线402的传播球面上具有局部能量凸起峰，其中r为光纤401的半径，R为发射光线402传播的等能量球面半径，m和n为表征局部能量凸起峰的参数。其中，m表示局部能量凸起峰的尺寸，n表示局部能量凸起峰凸起的强度。可以理解的是，如图6所示，可通过同样的优化设计方法，使得发射光线402具有多个不同的局部能量凸起峰，其中K表示局部能量凸起峰的数目。可以理解的是，表征发射光线402局部凸起峰的参数(m、n、K等)可以通过调整平面超透镜501的设计进行优化。具有局部能量凸起峰的发射光线402可在某个(或几个)方向上对目标组织(如实体瘤等)进行高强度照射；结合给药微管104递送的光热或光动力药物，具有局部能量凸起峰的发射光线402可以对肿瘤组织在某个(或几个)方向进行选择性的局部杀伤，从而在实体瘤内打开通道，实现实体瘤内部和肿瘤周围正常组织的连接，促进肿瘤内部微环境的改变，并协助免疫细胞向实体瘤内部的迁移。此外，基于平面超透镜501设计的具有局部能量凸起峰发射光线402可通过超透镜改变发射光线402的方向，实现发射光对目标对象901周围的定向辐射，可用于对神经组织的定向光刺激或光调控等，也可用于对形状不均匀的目标组织如肿瘤等进行个性化的光热或光动力治疗。图5和图6中以光纤401作为光学元件105进行示例说明。

可以理解地，光学元件105为发光二极管，发光二极管设置出口端。发光二极管出射光线的波长可以根据需求选择紫外、可见光以及红外等。发光二极管可以为无极发光二极管，也可以为柔性或有机发光二极管。单个或者多个发光二极管可以集成在给药工具的末端，也可以集成在给药工具的外壁，发光二极管的连接导线经套管103和末端连接器101与光源模块连接。类似地，在发光二极管的光线出射表面可以集成薄型平面超透镜501或者凹透镜403，用于对出射光线进行扩束或者对局部光强进行调节。当然，给药微管104、光学元件105以及传感器106为多通道设置。参照图7，一种给药系统，包括上述的给药装置、药物提供模块、光源模块、信号采集模块、控制模块以及电源模块。药物提供模块用于提供药物，药物提供模块通过连接器101与给药微管104连接。光源模块用于向目标组织901发射光线402，光源模块与光学元件105相连。信号采集模块用于采集目标组织的生理信号，信号采集模块与传感器106连接，信号采集模块包括多个信号采集单元，分别与前面对应类型的传感器106连接。控制模块与药物提供模块、光源模块和信号采集模块相连。电源模块用于向给药系统的各个模块供电。

药物提供模块可为给药泵，具体地，给药泵能对药物的灌注速率以及灌注时间进行调控，实现对药物灌注体积的精准控制。参照图8，示例性地，在体外实验中，体外脑组织的实验模型采用了质量浓度为0.2％的琼脂糖凝胶，以质量浓度为0.02％的台盼蓝溶液作为替代药物进行扩散实验。通过给药泵控制台盼蓝溶液的灌注速率和时间，图8左图表示以1μl/min的输注速率灌注不同时间后台盼蓝溶液的灌注面积，图8右图表示在一定灌注速率下台盼蓝溶液的扩散体积与时间的关系曲线。

给药泵为微流量给药泵，给药导管102安装在连接器101的一端，通过连接器101内部的给药通道与给药微管104连接。微流量给药泵将药物经给药导管102、连接器101以及给药微管104，对目标组织901实现可控的微量给药。给药导管102和给药微管104均由满足生物相容性和流体动力学要求的材料制作而成。

具体地，光学元件105为光纤401。光纤穿过连接器101并与特定波长的光源模块相连，光源模块发射特定波长和强度的光线，经光纤引导传输至给药工具末端周围的组织。光纤的材料可以为塑料(如PMMA)、多组分玻璃、石英等。光源模块可以为激光或者LED光源等。进一步地，光源模块为用于肿瘤光热治疗或者光动力治疗的红外波段的激光，当然也可以采用用于光遗传刺激的蓝光、绿光、黄光等波段的激光或者LED光。

基于前面给药系统实施例的内容，可以得到在临床上的给药系统。给药系统分为整体植入式的给药系统或者部分植入式的给药系统。

参照图9，一种整体植入式的给药系统，该给药系统的给药工具的套管103植入于需施加药物和光辐射的目标对象901(即位于体内)，主要包括植入式的给药装置和植入式的光-液-传感系统，其中，植入式的给药装置为前面所述的给药装置，植入式的光-液-传感系统包括前面所述的药物提供模块、光源模块、信号采集模块以及控制模块。该整体植入式的给药系统中，植入式的给药装置作用于需施加药物和光辐射的目标对象901，植入式的给药装置通过延伸导线与植入式的光-液-传感系统连接。图9展示了整体植入式的给药系统通过定位装置高精度地植入目标对象901的应用示例。整体植入式的给药系统植入于表皮902下方(如皮肤/头皮下方，或肝、肺等内部脏器的表皮902下方)，药物提供模块、光源模块以及信号采集模块在控制模块的作用下，实现对目标对象901可控的光-液复合给药和治疗。

参照图10，在另一种可能的实现方式中，提供了一种部分植入式的给药系统，与图9的整体植入式的给药系统不同的是，该光-液-传感系统可位于体外，构成非植入式的光-液-传感系统，非植入式的光-液-传感系统通过连接器101与植入目标对象901表皮内的给药装置部分相连接，药物提供模块、光源模块以及信号采集模块在控制模块的作用下，实现对目标对象901可控的光-液复合给药和治疗。图10示出了部分植入式的给药系统的一种实施例，给药装置植入于目标对象901的表皮902下，其连接器101远离套管103的一侧伸出在皮肤的外部，仅在需要治疗时连接器101露出表皮902外的一侧才连接体外的非植入式的光-液-传感系统。

此给药系统，包括给药装置、药物提供模块、光源模块、信号采集模块、控制模块以及电源模块，实现了光、液、传感一体化的给药系统，通过药物提供模块和给药装置能将药物精准地输送到目标对象901，结合光学元件105的光辐射作用以及传感器106对目标对象901生理信号的实时监测，在控制模块的控制下调控药物输送参数和光辐射参数，实现高精度的、可实时调控的给药和光辐射，从而实现对目标对象901的靶向原位给药和光辐射，尤其在脑部给药场景中，基于所述给药装置及系统的给药方式能绕过血脑屏障，将药物高效地向目标对象901递送，解决了传统静脉注射药物难以穿过血脑屏障到达脑部目标对象901的难题。本发明实施例提出的给药系统可以应用于为整体植入式或部分植入式的给药系统等任何需要对体内目标对象901精准给药的场景中。

一种给药方法，采用上述的给药系统，其特征在于，包括以下步骤：

将给药装置的套管103的出口端植入目标组织；

控制模块控制传感器106，采集目标组织的生理信号，反馈给药物提供模块和光源模块；

控制模块控制药物提供模块，并通过给药微管104向目标组织进行受控的药物递送；

控制模块控制光源模块，并通过光学元件105对目标组织辐射光线。

其中，当给药微管104为多通道给药微管时，控制信号为用于控制多通道给药微管结合发射光线辐射作用的联合用药控制信号，其中，给药微管104的通道数量为n(1≤n≤30)。示例性地，不同的药物，在药物提供模块的控制下，经不同的给药微管104，按照一定的时间序列和特定的剂量注入到目标对象901，结合光热和光动力治疗、光遗传刺激调控等，实现对目标组织的联合用药。特别的，不同的药物，在药物提供模块的控制下，可以沿单通道的给药微管104，按照一定的时间序列和顺序，以特定的剂量注入到目标对象901，结合光热和光动力治疗、光遗传刺激调控等，实现对目标组织的联合用药。

参照图11，在一个具体实施例中，给药系统应用在脑部微创给药。一种给药方法，包括以下步骤：

经MRI或者CT等检测，确定目标组织在脑部的位置；

采用图像导航软件，规划确定给药装置的植入路径1103，以及在颅骨1101上的入口点1102；

沿规划的植入路径1103，在颅骨1101入口点1102，采用微孔开颅技术，通过微孔开颅工具在颅骨1101上加工微孔1104；

将预先准备的特定长度的给药工具，以颅骨微孔1104为导向孔或者以插入颅骨1101的微孔1104的空心导向套作为导向孔，以微创的方式，将给药装置的套管103沿规划的植入路径1103植入脑部的目标组织901；

将给药装置固定在颅骨1101上；

将药物沿给药微管104，在药物提供模块的控制下对目标组织进行受控的药物递送，光源模块发射特定波长的光线，经光学元件105向目标组织辐射，同时通过给药工具出口端的传感器106，测量目标组织生理信号，例如目标组织的神经电信号、温度、压力或者蛋白质/氨基酸等各种信号，对目标进行监控。

此给药方法，采用给药系统，能够以微创的方式对目标组织进行微创给药，给药工具能够高精度植入目标位置，从而实现对目标组织的靶向原位给药，尤其在脑部给药场景中，依靠给药工具对目标组织的原位给药绕过了血脑屏障，能够高效地将药物向目标组织递送，解决了传统静脉注射药物难以穿透血脑屏障到达脑部组织的难题。

基于以上的实施例，本发明还提供了一种一种给药系统在用于对目标组织的局部原位给药、光热治疗、光动力治疗、光遗传刺激以及神经刺激和调控的应用。

该给药系统在用于对目标组织的局部原位给药，药物为广义药物，包括化学药物、生物制剂以及基因制剂。

在一种可能的实施方式中，该给药系统可用于肿瘤的光热治疗。具体地，在光热治疗中，光热药物(如纳米金颗粒、经FAD批准的近红外试剂吲哚菁绿/ICG、或负载有抗癌药物的光热纳米药物)通过药物提供模块，经给药微管104，向目标组织进行灌注；待光热药物经一定时间扩散后，光源模块控制光学元件105以一定的功率发射对应光热药物吸收波长的光线，对目标组织周围的光热药物进行照射；经特定强度、波长的光线照射一定时间后，光热药物会使植入点周围目标组织的温度升至一定的温度(如可以诱导肿瘤细胞凋亡的温度)，使肿瘤细胞实现程序性的凋亡，并诱发人体的免疫反应，从而实现对肿瘤的光热-免疫联合治疗。

在另一种可能的实施方式中，该给药系统可用于肿瘤的光动力治疗。具体地，在光动力治疗中，光动力药物在药物提供模块的控制下，经给药微管104，向目标组织进行灌注；光动力药物经一定时间扩散后，光源模块控制光学元件105发射对光动力药物吸收波长的光线，对目标组织周围的光动力药物进行照射；经特定强度、波长的光线的照射一定时间后，光动力药物(如对肿瘤阻止具有选择性滞留的光敏剂)会产生单态氧/自由基，并与目标组织的生物大分子发生作用，对肿瘤细胞进行选择性的杀伤，从而实现对肿瘤治疗。

在另一种可能的实施方式中，该给药系统可用于神经的光遗传刺激调控。在光遗传刺激调控中，特定波长的发射光线402(如ChR2或抑制GtACR2的470nm波长的光线，抑制ArchT的540nm波长的光线，激活C1v1的560nm波长的光线，抑制NpHr或激活bReaChES的590nm波长的光线，激活ReaChR或抑制JAWS的620nm波长的光线等)经给药装置的光学元件105，照射植入位置的目标组织，对特定的靶点进行选择性的激活或抑制，同时，可通过药物提供模块和给药微管104对目标组织进行微控给药，从而实现对神经活动的光遗传-药物复合调控。

该给药系统在进行光热和光动力治疗、光遗传刺激调控的同时，可通过集成的传感器106对植入位置的各种生理信号进行实时监测。

示例性地，在一种体外实验中，采用吸收峰为980nm的光热纳米金药物(药物浓度40μg/ml)，将制备的给药装置连接波长为980nm的红外激光发射器，控制激光发射器的输出功率，用该给药系统辐射光热纳米药物，在不同的辐射功率下，记录不同辐射时间后的温度变化，实验结果如图12所示。在近红外激光的辐射下，纳米药物会快速升温，经过一定时间后，其温度不再继续升高。特别地，在2W的辐射功率下，纳米光热药物在被辐射一定时间后(此实施例中约为20min)温度稳定在45℃附近。42-45℃为肿瘤光热治疗的适宜温度区间，该温度可诱导肿瘤细胞程序性凋亡，并激活人体的免疫反应，在利用光热杀伤肿瘤细胞的同时，激活人体的免疫系统，实现对肿瘤的光热-免疫联合治疗。当温度过高时(>45℃)，肿瘤将发生热坏死，无法激活人体的免疫反应，此时肿瘤容易发生复发和转移。因此，通过对光热药物的设计、药物的灌注速度、光辐射功率等参数的控制，可以使得给药系统植入点的温度达到能够实现诱导肿瘤细胞程序性凋亡的温度(如42-45℃)，从而实现对肿瘤的光热-免疫联合治疗。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (15)

1.一种给药装置，其特征在于，包括：

连接器；

给药工具，包括套管、给药微管、光学元件以及传感器，所述套管一端与所述连接器连接，所述套管远离所述连接器的一端为出口端；

其中，所述给药微管、所述光学元件和所述传感器均设置在所述套管内，所述给药微管的出药口位于所述出口端，所述光学元件的光线出射口位于所述出口端，所述传感器的敏感元件设置在所述套管的出口端，所述传感器用于获取植入位置的生理信号，所述生理信号用于监控所述给药工具植入位置组织的生理状态。

2.根据权利要求1所述的给药装置，其特征在于：所述套管为生物相容性金属套管或者生物相容性聚合物套管。

3.根据权利要求1所述的给药装置，其特征在于：所述套管和所述给药工具设置有生物相容性材料涂层或者采用生物相容性材料制备而成。

4.根据权利要求1所述的给药装置，其特征在于：所述给药工具还包括定位器，所述定位器设置在所述出口端，所述定位器用于将所述给药微管、所述光学元件和所述传感器在所述套管内的定位和固定。

5.根据权利要求1所述的给药装置，其特征在于：所述光学元件为光纤，所述光纤依次贯穿所述连接器和所述套管；或者，所述光学元件为发光二极管，所述发光二极管设置所述出口端。

6.根据权利要求1所述的给药装置，其特征在于：所述给药微管、所述光学元件以及所述传感器为多通道设置。

7.根据权利要求1所述的给药装置，其特征在于：所述给药工具还包括光学扩束结构，所述光学扩束结构用于对所述光学元件传导或者发射的出射光线进行扩束，或者对出射光线能量的空间分布进行调整和控制。

8.根据权利要求7所述的给药装置，其特征在于：所述光学扩束结构为凹透镜或者平面超透镜。

9.根据权利要求8所述的给药装置，其特征在于：所述光学扩束结构与所述光学元件一体成型或者可装配设置。

10.根据权利要求1所述的给药装置，其特征在于：所述传感器为温度传感器、压力传感器、应变传感器、生理电极、光纤、生化传感器中的一种或多种。

11.一种给药系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至10任一项所述的给药装置；

药物提供模块，用于提供药物，所述药物提供模块通过所述连接器与所述给药微管连接；

光源模块，用于向目标组织发射光线，所述光源模块与所述光学元件相连；

信号采集模块，用于采集所述目标组织的生理信号，所述信号采集模块与所述传感器连接；

控制模块，与所述药物提供模块、光源模块和信号采集模块相连；以及

电源模块，用于向所述给药系统的各个模块供电。

12.根据权利要求11所述的给药系统，其特征在于：所述给药系统为整体植入式的给药系统或者部分植入式的给药系统。

13.一种给药方法，采用如权利要求11或12所述的给药系统，其特征在于，包括以下步骤：

将所述给药装置的所述套管的出口端植入目标组织；

所述控制模块控制所述传感器，采集目标组织的生理信号，反馈给所述药物提供模块和所述光源模块；

所述控制模块控制所述药物提供模块，并通过所述给药微管向目标组织进行受控的药物递送；

所述控制模块控制所述光源模块，并通过光学元件对目标组织辐射光线。

14.根据权利要求13所述的给药方法，其特征在于，所述给药系统用于脑部微创给药时，还包括以下步骤：

确定目标组织在脑部的位置；

确定所述给药装置的植入路径以及在颅骨上的入口点；

沿规划的植入路径，在颅骨入口点，采用微孔开颅技术，在颅骨上加工微孔；

通过颅骨微孔，将所述给药装置的套管沿规划的植入路径植入脑部的目标组织；

将所述给药装置固定在颅骨上；

对目标组织进行受控的药物递送和光线辐射，并采集目标组织的生理信号。

15.如权利要求11或12所述的给药系统在用于对目标组织的局部原位给药、光热治疗、光动力治疗、光遗传刺激以及神经刺激和调控的应用。

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