CN117752949A - 一种诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光生物电子学、医疗器械、先进治疗技术、近视防控、精神疾病治疗和退行性疾病治疗领域，具体公开一种诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置和应用。该装置采用红光‑近红外光荧光粉，与所述LED蓝光芯片封装在一起。所述装置发射的红光‑近红外光谱的半高宽不小于60nm，或者全谱宽度不小于250nm。本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置由LED蓝光芯片与红光‑近红外光荧光粉封装而成，光子从该装置发射的位置和角度具有随机性，与激光装置和LED半导体芯片发光装置相比，光子照射到特定空间位置的几率大大降低，显著提高了该装置用于生物组织的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及光生物电子学、医疗器械、先进治疗技术、近视防控、精神疾病治疗和退行性疾病治疗领域，具体涉及一种诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置和应用。
背景技术
儿童青少年近视已蔓延成全球性高发率流行病。近视防控技术不断更新，包括佩戴多点近视离焦眼镜、佩戴角膜塑形镜、滴定低浓度阿托品、使用650nm低强度激光重复光照等，使用这些技术在一定程度上能够降低近视增长速度、延缓近视进展、减轻高度近视危害，但距离近视可防可治以及使近视少发生或不发生的目标依然有很大期待。
近视的致病机理是由多发性因素参与和多个过程造成的，目前尚不完全清晰其机制。在眼科界大家公认轴性近视眼轴的伸长受神经递质多巴胺控制，而光照是诱导神经递质分泌的一种有效方式。
光刺激诱导多巴胺分泌显著依赖于光的强与光的波长。户外太阳光谱中含有包括紫外线、可见光、近红外、红外在内的多种光谱成分，不同波段的光刺激诱导多巴胺分泌的效果是不同的。研究表明，中脑边缘多巴胺系统对所有可见波长都有反应，对蓝光和绿光最敏感并且在蓝光和绿光的响应在整个辐照度范围内保持稳定；而对于对紫外光和红光与近红外光的响应显著依赖于光照强度，只有在高强度才能刺激诱导多巴胺分泌(L SofiaGonzalez,Austen AFisher,Shane P D'Souza,Evelin M Cotella,Richard ALang,JElliott Robinson,eLife 2023,12,e85064.)。由此得知，若利用蓝光和绿光诱导多巴胺分泌则无需高强度高；若利用红光与近红外光诱导多巴胺分泌则需要高强度光；若利用紫外光诱导多巴胺分泌也需要高强度光，但紫外光会造成视力损伤。
多年来，人们一直利用单色光实验来研究纵向色差(LCA)作为视力正视化矫正的可能信号作用。LCA是由光的色散引起，不同波长引起焦距差异，并可能造成离焦(波长离焦)。短波长光聚焦的焦距比长波长的光短，因此，预期应产生远视；反之，应产生近视。在许多动物模型实验中，利用低等动物(如鸡、鼠、猪)实验的结果与波长离焦预期结果一样，在蓝光下变得更加远视，在红光下变得更加近视。对此，医学界有不少学者提出采用紫外线防控近视以及采用蓝光矫正近视的错误观点和不当措施(如文献：EBioMedicine,2017,15,210；Invest Ophthalmol Vis Sci.2021,62(15),22，等)。使用低等动物(如鸡、鼠、猪)模型研究波长离焦得出的结论与高等动物相反，而人属于高等动物，研究人眼近视最好的动物模型是树鼩和恒河猴。事实证明，利用树鼩和恒河猴在单色光下的波长离焦实验表明：在红光下变得更远视。尽管树鼩最初在蓝光下变得更远视，但后来变得更近视(Exp EyeRes.2019,184,172；中华眼科医学杂志,2021,11(2),65)。
户外强烈的紫外线刺激能够促进多巴胺分泌，该作用毋庸置疑。然而，高能紫外光、近紫外光、蓝紫色和蓝光光子会造成视网膜损伤和视神经元凋亡，会使得分泌神经递质多巴胺的神经元直接失去载体。诸多关于高亮度荧光造成视网膜损伤甚至双目失明的案例表明，诱导多巴胺分泌防控近视不能通过高强度紫外、蓝光、绿光实现。文献(Annals ofAnatomy,2014,196,312)研究表明，在接受荧光灯光照之前先接受670nm深红光光照，能够显著降低荧光引起的视网膜损伤。
采用650nm低强度激光重复光照是近年来发展的一项新兴近视防控技术，其在近视防控方面的有效性不容置疑(Ophthalmology.2022,129(5),509；中华实验眼科杂志,2022,40(7),599)。激光是相干光，单位时空入射到空间某一点的能量密度远比非相关光高。此外，长距离光线经瞳孔入射汇聚到视网膜上，投射在视网膜的光强度会放大约2*105倍(GB 7247.1-2012/IEC 60825-1:2007)。激光光凝术是治疗各种视网膜疾病被广泛接受的标准治疗方法，尽管采用该方法能够保持视网膜愈合，但该方法会引起视网膜内烧伤，引起脉络膜视网膜疤痕，随着时间推移演变为逐步扩大的萎缩区域(如文献：HealthyPhysics,1989,56(5),643；Seminars in Ophthalmology，2004,19(1-2),62等)。采用激光防控近视，首先需要审慎评估其安全性；其次，激光为线性光谱，而包括视网膜在内的人体生物组织吸收光谱往往为宽带谱，从满足生物组织吸收利用的角度，宽带光谱比激光将更加有效；再者，激光的优势在于穿透距离远，而光线经瞳孔后可以入射眼底，所以从光照射视网膜诱导多巴胺分泌的角度，与弥散的非相干光相比，激光并不具有优势，并且增加了高能量密度带来的风险。
人眼视力调节涉及视网膜细胞复杂的生物过程。视网膜的视锥状细胞分辨不同波长颜色，视杆状细胞探测光强；水平细胞接收视杆状细胞和视锥状细胞探测到的信号后，一是通过亮度调节，实现视觉的亮度适应，二是通过中心-周边拮抗反应增强视像边缘对比度，突出景物轮廓线条；水平细胞将信息传递给双极细胞，双极细胞一方面把视觉信号分流为给光(ON)和撤光(OFF)信号，另一方面通过与无长突细胞的交互作用把信息传递给神经节细胞，把连续性的分级电位转化为瞬变性的神经活动；通过神经节，最后把信息传递给大脑视觉皮层。水平细胞的解耦是实现亮度适应的关键，光诱发水平细胞的解耦是由多巴胺释放增加介导的，而神经递质多巴胺的合成是由无长突细胞完成的。视网膜中的双极细胞、无长突细胞和神经节细胞本质上是神经元，而神经元的工作机制是过渡激活与退激发保护机制。因此，采用光诱导神经递质多巴胺分泌的方式防控近视，不仅需要保护光感受器，而且需要保护神经元。除了视网膜，人体分泌多巴胺最重要一个部位是脑黑质及纹状体外周系统。然而，文献(Brain Research,2017 1662,87)使用白色荧光灯对小鼠持续3个月人工光照发现，与对照组相比，小鼠脑黑质中的多巴胺神经元减少了30％，纹状体中多巴胺及其代谢物减少，而使用近红外LED光(～710nm)照射3个月没有改变脑黑质中的多巴胺神经元，也没有减少纹状体中的多巴胺及其代谢物。
户外运动是目前所有眼科医生公认的防控近视的有效方式之一。关于户外运动防控近视有效性的机制尚存争议，但我们认为是户外长时间运动接受了大量红光-近红外起到的作用。文献(Biomedical Optics Express,2015,6(1),23)采用耦合光纤把波长为840nm近红外导入小鼠大脑深部，用微透析探针观察不同光功率刺激丘脑下核(STN)时纹状体中谷氨酸和多巴胺浓度的变化，实验结果表明，光刺激使谷氨酸浓度降低，多巴胺浓度升高。文献(Brain Research,2017 1662,87)亦采用耦合光纤把波长峰值约为710nm的远红光直接导入小鼠脑黑质区，发现多巴胺放电速率提高了四倍，表明光诱导多巴胺分泌显著提高。对于采取户外运动方式防控近视，短时间户外运动往往起不到作用，只有长时间运动才能积累到足够的防控近视的作用。除了藉助大自然，我们亟需发展一种安全的能够诱导多巴胺分泌且短时间能够起到有效作用的人造光源装置。
基于这一技术背景，本发明提出一种诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置和应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置和应用，该装置由LED蓝光芯片与红光-近红外光荧光粉封装而成，光子从该装置发射的位置和角度具有随机性，与激光装置和LED半导体芯片发光装置相比，光子照射到特定空间位置的几率大大降低，显著提高了该装置用于生物组织的安全性。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置，包括：
LED蓝光芯片；
红光-近红外光荧光粉，与所述LED蓝光芯片封装在一起；
所述装置发射的红光-近红外光谱的半高宽不小于60nm，或者全谱宽度不小于250nm。
本发明第二方面提供一种上述装置在诱导神经递质多巴胺分泌中的应用；
所述应用为利用所述装置作为核心发光部件制备医疗器械或医疗设备；
所述装置用于人体内神经递质多巴胺缺乏和/或紊乱疾病的辅助治疗；
所述神经递质多巴胺缺乏和/或紊乱疾病包括近视、弱视、精神疾病和神经退行性疾病。
本发明的技术效果包括：
(1)本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置，该装置由LED蓝光芯片与红光-近红外光荧光粉封装而成，光子从该装置发射的位置和角度具有随机性，与激光装置和LED半导体芯片发光装置相比，光子照射到特定空间位置的几率大大降低，显著提高了该装置用于生物组织的安全性。
(2)本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置，为非相干光源，与激光装置相比，单位时空能量密度低，在诱导神经递质多巴胺分泌应用中更加安全。
(3)本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的发射光谱为宽带谱，与激光装置的线性发射光谱和LED半导体芯片的窄带发射光谱相比，能够更好地满足生物组织宽带吸收谱的需要，适用效果更好。
(4)本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的发射光谱在550-1100nm范围内，没有紫外线、近紫外、蓝光和绿光光谱成分，与采用高强度紫外线和低强度蓝绿光诱导多巴胺分泌方式相比，没有光化学效应和热效应，显著降低了对视网膜和神经元的损伤。
(5)本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的发射光谱成分具有保护视网膜和神经元，促进视网膜细胞修复与再生，激发突触和神经元生长的功能。
(6)本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置在650-950nm波长范围的发射光谱与树荫下的太阳光谱构型相似度在50％以上，极大地避免了对视网膜和神经元的损伤，显著提高了该装置用于生物组织的安全性。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中使用表1中列出的13种代号的荧光粉封装的发光装置发射光谱与太阳光谱和树荫下太阳光谱的集中对比图。
图2为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中使用表1中列出的前12种代号的荧光粉封装的发光装置发射光谱。
图3为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中使用不同质量比的710荧光粉和841荧光粉封装的发光装置发射光谱与太阳光谱和树荫下太阳光谱的集中对比图。
图4为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中使用不同质量比的710荧光粉和791荧光粉封装的发光装置发射光谱及其与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比图。
图5为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中使用不同质量比的705荧光粉和841荧光粉封装的发光装置发射光谱及其与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比图。
图6为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中使用不同质量比的705荧光粉、755荧光粉和841荧光粉封装的发光装置发射光谱与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比图。
图7为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中使用不同质量比的705荧光粉、758荧光粉和841荧光粉封装的发光装置发射光谱与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比图。
图8a为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中培养APRE-19细胞使用的荧光灯光的发射光谱。
图8b为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中培养APRE-19细胞使用的常规LED灯的发射光谱。
图8c为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中培养APRE-19细胞使用的全光谱LED灯的发射光谱。
图8d为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中培养APRE-19细胞使用的远红光灯的发射光谱。
图9为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中用于小鼠视网膜切片实验培养小鼠使用的近紫外、蓝和绿光LED光源发射光谱。
图10为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中使用近紫外光、蓝光、绿光在添加与不添加远红光光照的小鼠视网膜切片对比结果。
图11为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中培养BV-2小胶质细胞使用的近红外光谱。
图12为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中不同光环境下BV-2小胶质细胞免疫荧光检测图及活性测定。
图13a为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中饲养小鼠使用的发波长峰值为670nm的深红光发射光谱。
图13b为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中饲养小鼠使用841荧光粉封装的发光装置发射光谱。
图14为本发明提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置的一种具体实施方式中在不同光照环境下饲养百草枯诱导神经损伤的小鼠脑黑质切片实验结果对比图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指装置在正常使用状态下的上和下，“内、外”是指相对于装置轮廓而言的。此外，术语“第一、第二、第三”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一、第二、第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供一种诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置，包括：
LED蓝光芯片；
红光-近红外光荧光粉，与LED蓝光芯片封装在一起；
装置发射的红光-近红外光谱的半高宽不小于60nm，或者全谱宽度不小于250nm。
本发明中的装置由LED蓝光芯片与红光-近红外光荧光粉封装而成，光子从该装置发射的位置和角度具有随机性，与激光装置和LED半导体芯片发光装置相比，光子照射到特定空间位置的几率大大降低，显著提高了该装置用于生物组织的安全性。
本发明中的装置为非相干光源，与激光装置相比，单位时空能量密度低，在诱导神经递质多巴胺分泌应用中更加安全。
根据本发明，装置发射的红光-近红外光谱的波长在550-1100nm范围内；
该装置在650-950nm波长范围的发射光谱与树荫下的太阳光谱构型相似度在50％以上。
本发明中的发光装置在650-950nm波长范围的发射光谱与树荫下的太阳光谱构型相似度在50％以上，极大地避免了对视网膜和神经元的损伤，显著提高了该装置用于生物组织的安全性。
优选地，红光-近红外光谱包括至少一个波长峰值；
当至少一个波长峰值的数量为1时，该波长峰值区间为710±20nm；
当至少一个波长峰值的数量为2时，这2个波长峰值区间优选为710±20nm、830±30nm；
当至少一个波长峰值的数量为3时，这3个波长峰值区间优选为670±10nm、710±20nm、830±30nm；
当至少一个波长峰值的数量为4时，这4个波长峰值区间优选为670±10nm、710±20nm、763±25nm、830±30nm、；
当至少一个波长峰值的数量为5时，这5个波长峰值区间优选为670±10nm、710±20nm、763±25nm、830±30nm、883±20nm。
优选地，LED蓝光芯片的发射光谱的波长峰值区间为440-480nm，且与Cr3+的4A1-4T1激发带相匹配，半高宽不大于25nm。
本发明中的发光装置发射光谱是在550-1100nm范围内的宽带光谱，没有紫外线、近紫外、蓝光和绿光光谱成分，与采用高强度紫外线和低强度蓝绿光诱导多巴胺分泌的方式相比，没有光化学效应和热效应，显著降低了对视网膜和神经元的损伤。
根据本发明，红光-近红外光荧光粉包括ABO3:Cr3+、Ln(Al,Ga,Sc)3(BO3)4:Cr3+、(Li,Na)(Ga,Sc)O2:Cr3+、Ga2O3:Cr3+、MD2O4:Cr3+、MAl12O19:Cr3+、D(PO3)3:Cr3+、Al2P6O18:Cr3+、D2(WO4)3:Cr3+、Ba3In2WO9:Cr3+、Ba2In2O5:Cr3+、(Y,Gd)3(Ga,Sc,Al)5O12:Cr3+，Mg4Nb2O9:Cr3+、(Li,Na,K)ScSi2O6:Cr3+、Li(Sc,Al,Ga)O2:Cr3+、(Sr1-xBax)Ga12O19:Cr3+(x≤0.1)、In(GaO2)3:Cr3+、Zn4InGaO7:Cr3+、Zn3In2O6:Cr3+、In3Sb5O12:Cr3+、GdYScSbO7:Cr3+、GaSbO4:Cr3+、In2(MoO4)3:Cr3+、K3ScSi2O7:Eu2+中的至少一种；
其中，A和Ln各自独立地为Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种；
B为Sc或Ga；
M为Mg、Ca、Sr、Ba中的任意一种；
D为Al、Ga、Sc、In中的任意一种。
优选地，红光-近红外光荧光粉包括LaGaO3:Cr3+、GdScO3:Cr3+、YAl3(BO3)4:Cr3+、YGa3(BO3)4:Cr3+、CeSc3(BO3)4:Cr3+、Ga2O3:Cr3+、MgGa2O4:Cr3+、Al(PO3)3:Cr3+、Gd3Ga5O12:Cr3+、LiScSi2O6:Cr3+、LiScO2:Cr3+、SrGa12O19:Cr3+、、和In(GaO2)3:Cr3+中的至少一种；
当所述红光-近红外光荧光粉中各个组分的质量比为(0.01-100％)1：(0-100％)2：(0-100％)3：……：(0-100％)n；
其中，下标1代表第一种组分，下标2代表第二种组分……下标n代表第n种组分。
根据本发明，装置通过红光-近红外光荧光粉、任选的可见光荧光粉与LED胶依次经混合、脱泡除气、点胶、烘烤固化封装而成；
点胶为将脱泡除气后的混合物点到LED蓝光芯片上。
有关红光-近红外LED器件封装技术，参见发明人已获授权的专利ZL2021111007438.9、ZL202010882775.1，在此不在赘述。
本发明中的发光装置的发射光谱为宽带谱，与激光装置的线性发射光谱和LED半导体芯片的窄带发射光谱相比，能够更好地满足生物组织宽带吸收谱的需要，适用效果更好。
优选地，可见光荧光粉为橘色、红色、深红色荧光粉中的任意一种；
可见光荧光粉的波长峰值区间为440-480nm，且与Cr3+的4A1-4T2激发带相匹配；
红光-近红外光荧光粉与可见光荧光粉的复配比为：0.01-1：0-1。
根据本发明，在诱导神经递质多巴胺分泌时，装置采用的照射光路为直射光路或反射光路；
照射的光照剂量不超过标准ISO 15004-2、GB/T 20145-2006/CIE S 009/E:2002、GB 7247.1-2012/IEC 60825-1:2007。
本发明中的发光装置的发射光谱成分具有保护视网膜和神经元，促进视网膜细胞修复与再生，激发突触和神经元生长的功能。
本发明还提供一种上述的装置在诱导神经递质多巴胺分泌中的应用，该应用为利用装置作为核心发光部件制备医疗器械或医疗设备。
下面通过具体实施例对本发明进行更详细的说明。
实施例1
本实施例从红光-近红外光荧光粉ABO3:Cr3+、Ln(Al,Ga,Sc)3(BO3)4:Cr3+、(Li,Na)(Ga,Sc)O2:Cr3+、Ga2O3:Cr3+、MD2O4:Cr3+、MAl12O19:Cr3+、D(PO3)3:Cr3+、Al2P6O18:Cr3+、D2(WO4)3:Cr3+、Ba3In2WO9:Cr3+、Ba2In2O5:Cr3+、(Y,Gd)3(Ga,Sc,Al)5O12:Cr3+，Mg4Nb2O9:Cr3+、(Li,Na,K)ScSi2O6:Cr3+、Li(Sc,Al,Ga)O2:Cr3+、(Sr1-xBax)Ga12O19:Cr3+(x≤0.1)、In(GaO2)3:Cr3+、Zn4InGaO7:Cr3+、Zn3In2O6:Cr3+、In3Sb5O12:Cr3+、GdYScSbO7:Cr3+、GaSbO4:Cr3+、In2(MoO4)3:Cr3 +、K3ScSi2O7:Eu2+中选出13种YAl3(BO3)4:Cr3+、MgGa2O4:Cr3+、LaGaO3:Cr3+、Ga2O3:Cr3+、Gd3Ga5O12:Cr3+、SrGa12O19:Cr3+、YGa3(BO3)4:Cr3+、Al(PO3)3:Cr3+(即Al2P6O18:Cr3+)、GdScO3:Cr3+、LiScSi2O6:Cr3+、LiScO2:Cr3+、In(GaO2)3:Cr3+(即InGa3O6:Cr3+)和CeSc3(BO3)4:Cr3+进行荧光粉配方、合成工艺、物质结构和发光性能优化研究；
其中，A和Ln各自独立地为Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种；
B为Sc或Ga；
M为Mg、Ca、Sr、Ba中的任意一种；
D为Al、Ga、Sc、In中的任意一种；
首先，分别采用上述13种荧光粉中的单一组分，把荧光粉与透明硅胶进行搅拌混合，经脱泡除气，把混合了荧光粉的硅胶滴定至发射波长为450nm的蓝光LED芯片支架上，再经烘烤固化工艺处理，制得红光-近红外光发光装置；把利用这13种荧光粉封装的发光装置发射光谱与太阳光谱和树荫下的太阳光谱画在一起，如图1所示，可以看出在550-1100nm范围内，采用这13种荧光粉封装的发光装置发射光谱能够较好地覆盖树荫下的太阳光谱，图2分别给出了这13种荧光粉的前12种单独封装的发光装置发射光谱，对图1和图2中的每个光谱的发射波长峰值、半高宽、小于700nm和大于1000nm波长的光谱覆盖面积占比分别进行统计，结果如表1所示，图1和图2中的荧光粉代号分别用表1中的发光装置发射波长峰值进行表示；
表1选出的13种荧光粉化学式以及利用这13种荧光粉封装的发光装置发射光谱性质
其次，采用两种荧光粉的组合封装发光装置，以树荫下的太阳光谱为模板，通过调节两种荧光粉的不同比例，封装出逐步趋近树荫下的太阳光谱；图3给出使用不同质量比的710荧光粉和841荧光粉封装的发光装置发射光谱及其与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比，图中光谱编号为D1-1(质量比为0.2:0.7)、D1-2(质量比为0.3:0.7)、D1-3(质量比为0.4:0.70)和D1-4(质量比为0.5:0.7)；图4给出使用不同质量比的710荧光粉和791荧光粉封装的发光装置发射光谱及其与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比，图中光谱编号为D2-1(质量比为1.0：0.2)、D2-2(质量比为0.15：0.7)、D2-3(质量比为0.30：0.7)、D2-4(质量比为0.45：0.7)和D2-5(质量比为0.60：0.7)；图5给出使用不同质量比的705荧光粉和841荧光粉封装的发光装置发射光谱及其与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比，图中光谱编号为D3-1(质量比为0.45：0.7)、D3-2(质量比为:0.60：0.7)、D3-3(质量比为0.75：0.7)和D3-4(质量比为0.90：0.7)；本实施例中的五个发光波长主峰标记在图3中，分别是当有五个发射波长峰值时，波长峰值区间分别为710±20nm、830±30nm、670±10nm、763±25nm和883±20nm，其中诱导多巴胺分泌最有效且化学与热效应最小的是710nm，830nm是保护神经元最有效的波长，670nm是激活线粒体细胞色素c氧化酶产生细胞能量最有效的波长，763nm对应氧气吸收，883对应水汽吸收；
进而，采用三种荧光粉的组合封装发光装置，同样以树荫下的太阳光谱为模板，通过调节三种荧光粉的不同比例，封装出逐步趋近树荫下的太阳光谱，图6使用不同质量比的705荧光粉、755荧光粉和841荧光粉封装的发光装置发射光谱与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比，图中光谱编号为T1-1(质量比为0.75：0.20：0.70)、T1-2(质量比为0.75：0.30：0.70)、T1-3(质量比为0.75：0.40：0.70)和T1-4(质量比为0.75：0.50：0.70)；图7使用不同质量比的705荧光粉、758荧光粉和841荧光粉封装的发光装置发射光谱与太阳光谱和树荫下太阳光谱的对比，图中光谱编号为T2-1(质量比为0.75：0.20：0.70)、T2-2(质量比为0.75：0.30：0.70)、T2-3(质量比为0.75：0.40：0.70)和T2-4(质量比为0.75：0.50：0.70)；
再者，可以采用四种荧光粉的组合封装发光装置，采用荧光粉705(或710)、755(或758)、783(或791)和853的不同质量比进行封装，类似地，还可以采用更多种荧光粉的组合，随着多种荧光粉的组合，发射光谱变宽，一方面可以更好地模拟出树荫下的太阳光谱，另一方面可以起到多种作用。
本实施例中利用YAl3(BO3)4:Cr3+荧光粉封装的发光装置发射波长峰值为705nm，半高宽113nm，其中550-700nm范围的光覆盖的面积在整个光谱覆盖面积中占比29.5％；MgGa2O4:Cr3+荧光粉发射光谱宽度为250nm，半高宽为72nm，其中550-700nm范围的光覆盖的面积在整个光谱覆盖面积中占比23.5％；本实施例在使用YAl3(BO3)4:Cr3+荧光粉或MgGa2O4:Cr3+荧光粉基础上，通过混合其它荧光粉，发射波长逐步向1100nm拓宽，半高宽增大，550-700nm范围的光覆盖的面积在整个光谱覆盖面积所占比重逐渐降低，并实现从诱导神经递质多巴胺分泌到保护神经元的多方面功能；表1中列举的使用单一荧光粉封装的发光装置发射光谱与树荫下的太阳光谱在两者相交集的波长范围内的相似度可以达到50％，那么通过使用多种荧光粉以及不同比例的组合可以实现更高的相似度，如图3-7。
本实施例的对比实验结果表明，通过选用合理的荧光粉以及不同比例荧光粉的组合，能够很好地模拟出550-1100nm范围的树荫下太阳光谱。人类在亿万年的进化过程中，从树上攀爬、直立行走再到穴居，早已适应了树荫下的太阳光。所以，本实施例采用树荫下的太阳光诱导多巴胺分泌具有良好的光生物安全性。
实施例2
本实施例选择荧光灯、常规LED灯、全光谱LED灯和远红光灯四种灯具进行诱导多巴胺分泌对比实验，以无光照的环境作为参照，在不同光照环境下培养人视网膜上皮细胞APRE-19，每天光照4小时(18:00-22:00)。前两种灯具在市场上购得，全光谱LED灯为自主研制的灯具，远红光灯采用YAl3(BO3)4:Cr3+荧光粉封装的发光装置制作而成，图8是培养细胞使用的四种光源发射光谱；
光照环境氛围六种情况：(1)黑暗(无光照)；(2)荧光灯光照；(3)普通LED灯光照；(4)全光谱LED灯光照；(5)45分钟全光谱LED灯照+15分钟远红光灯光照，白光与远红光交替；(6)全光谱LED灯照+远红光灯光照，白光与远红光灯同时开启；
四种白光的照度皆固定在500勒克斯，无论是红白交替还是红白齐开，远红光的照度固定为133.5uW/cm2；使用ELISA检测吸光度(OD值)，检测3次结果求平均，然后根据OD值标准曲线换算多巴胺浓度；在不同光照环境下培养24和48小时，APRE-19细胞增值数量和速度与无光组区别不大，但多巴胺浓度检测结果差异较大，分别如表2和3所示；据OD值与多巴胺浓度标准曲线，当OD值≥1.54时，对应的多巴胺浓度为0；从表1和2中可以发现，无光照环境下的多巴胺浓度结果为0；采用荧光灯光照培养24h后的多巴胺浓度为0，但光照培养24h和48h后的多巴胺浓度检测结果差别交大；采用全光谱LED光照培养的结果比常规LED结果好，光照培养后经历的时间越久效果越显著；在全光谱的基础上引入远红光，无论是采用红白交替还是采用红白齐开的光照方式，红光的引入显著提高了APRE-19细胞分泌的多巴胺浓度。
表2在不同光照环境下培养APRE19细胞24小时多巴胺浓度
表3在不同光照环境下培养APRE19细胞48小时多巴胺浓度
实施例3
本实施例通过以下对比实验验证远红光-近红外光对于视网膜光损伤有保护和治疗作用，对比实验流程如下：
取30只体重为200-220g的SD雄鼠，随机平均分为六组，使用波长峰值分别为395nm近紫外光、450nm蓝光和520nm绿光单色LED灯珠制作的光源分别进行光照，一种情况是仅使用近紫外光、蓝光、绿光进行试验，另一情况是在近紫外光、蓝光、绿光的基础上添加图8d所示的远红光；本实施例中使用的近紫外光、蓝光、绿光LED光源发射波长峰值分别位于395、450和520nm，该光源采用单芯片LED封装而成，其发射光谱如图9所示；所有LED采用同一个控制器进行控制，每粒LED灯珠的输入功率皆为1瓦；当使用近紫外光、蓝光、绿光LED照明时，在鼠笼四周的每个面安装1粒LED灯珠，每个鼠笼照明输入的电功率为4瓦；当搭配远红光-近红外光LED时，分别在近紫外光、蓝光、绿光LED灯珠旁边固定一粒远红光-近红外光LED灯珠，在这种情况下，鼠笼照明输入的电功率为8瓦；对六组小鼠每天19:00-23:00光照4小时，其余时间保持正常的明暗变化，连续进行一周；停止光照后两天取小鼠眼球视网膜进行HE染色，观察各组小鼠视网膜结构的变化；
在不同光照环境下小鼠视网膜切片形貌如图10中的左图所示，图中INL层是指视网膜的内核层，ONL是指视网膜的外核层；在不加远红光情况下，从图10中可以发现，无论是ONL还是INL，光照以后视网膜稀疏，甚至有不连续细胞组织；单纯对比近紫外光、蓝光、绿光不同波长的光对小鼠视网膜的影响，在图10中从上至下可以发现，近紫外光、蓝光、绿光对小鼠视网膜造成的损害依次增大，即波长越短光子能量越高，光照对小鼠视网膜产生的危害越大；在图10中从左至右可以发现，添加远红光以后，INL和ONL层细胞密度明显增密；无论是对于近紫外光、蓝光，还是绿光，施加了远红光以后，视网膜细胞产生的损伤均得到明显修复；该实施例研究结果表明，远红光-近红外光对于视网膜光损伤有保护和治疗作用。
实施例4
本实施例通过对比实验验证远红光-近红外光对于调节胶质细胞表型，控制神经炎症的作用；
小胶质细胞对于维持中枢神经系统的健康和正常功能至关重要，包括细胞毒性化解、神经元修复再生和免疫控制；小胶质细胞是常驻的巨噬细胞，占人脑中枢神经系统胶质细胞群的10％-15％，是大脑先天免疫系统的重要组成部分，通常参与神经元连接的建立和中枢神经系统的生长；在发育过程中，小胶质细胞与其它脑细胞积极交流，促进神经元生发和突触修剪；在成人大脑中，参与神经调节、监视和监测、突触可塑性、学习和记忆，也负责维持血脑屏障的完整性、代谢耦合、离子缓冲、神经递质稳态、神经活性因子(ATP、TNF-α)的产生以及控制神经元同步和突触的正常功能电路；小胶质细胞在正常生理条件下处于静息态(M0表型)，发挥免疫监视监测作用；在病理状态下，小胶质细胞迅速被激活，分化成具有神经毒性的促炎症M1表型或具有神经保护作用的抗炎症M2表型；激活的小胶质细胞是细胞因子、趋化因子、前列腺素、蛋白酶、亚铁和其他免疫调节分子的主要来源，但过度激活的M1表型小胶质细胞会引起神经元失能、损伤和退变，在神经退行性疾病、脑血管疾病、神经发育障碍和精神性疾病中主要起损伤作用；经典激活型(M1极化)小胶质细胞伴随转录适应性功能变化，释放促炎因子和毒性物质，杀灭病原体，而替代激活型(M2极化)小胶质细胞通过促进组织修复和再生实现对神经保护的作用；
本实施例中，使用稳定传代的BV-2小胶质细胞在白光/白光+近红外光/黑暗的不同环境下进行培养，具体过程如下：
BV-2小胶质细胞(SAIOS)在含有10％ FBS(胎牛血清)、1％谷氨酰胺和1％ P/S青霉素-链霉素的DMEM基础培养基中培养，培养箱为95％空气和5％二氧化碳，恒温37℃；细胞密度达到70％-90％并稳定传代后，将细胞转移到96孔板中进行光照实验；实验分为四组：(1)无光(黑色环境)；(2)近红外光(使用封装有SrGa12O19:Cr3+荧光粉封装，功率密度为10mW/cm2)；(3)交替使用白光和近红外光(15分钟近红外光+45分钟白光+15分钟近红外光+45分钟白光+15分钟近红外光+45分钟白光+15分钟近红外光+45分钟白光+15分钟近红外光，总共每天辐射180分钟白光和75分钟近红外光，持续4.25小时、白光和近红外光的功率密度分别为3W/cm2和10mW/cm2)，(4)白光(每天用普通白光LED光源灯连续照射4小时，功率密度为3W/cm2)；
培养BV-2细胞使用的白光光源发射光谱如图8所示；培养BV-2细胞使用的近红外光源是采用SrGa12O19:Cr3+荧光粉封装的LED器件，其发射光谱如图11所示；
在正常生理条件下，小胶质细胞处于静息状态(M0表型)，发挥免疫监视作用；在病理条件下，小胶质细胞会被迅速激活并分化成具有神经毒性的促炎M1表型或具有神经保护作用的抗炎M2表型；使用CD14(Proteintech,17000-1-AP)和CD16(Proteintech,16559-1-AP)免疫荧光染色法(LightCycler96)，通过半定量法测定不同类型光刺激引起的小胶质细胞的M1/M2表型；单核细胞(吞噬细胞)与NK细胞(免疫细胞)的表达量分别通过CD14和CD16免疫荧光的明暗得以体现，CD14与CD16的表达量越高表明炎症越多，通过两者的免疫荧光强度判断促炎和抗炎效果；用MTT(Beyotime，C0009S)检测试剂盒和酶联免疫分析仪(Spectrophotomter，1510-01314)对各组的吸光度进行定量，以量化小胶质细胞的增殖程度；各组的ATP(腺苷-5'-三磷酸)产生量采用CellTiterGlo发光检测试剂盒(Beyotime，C0065S)进行定量，以检测小胶质细胞的活性(Promega，GM2000)；
在不同的光源环境下对BV-2小胶质细胞培养2h后，通过DAPI对选定区域细胞的细胞核定位染色如图12a，b第一行所示，分别采用CD14和CD16对细胞进行免疫荧光染色如图12a，b第二行所示，两者成功染色的结果可以从Merge中体现。从图12a中可以看出，在白光和黑暗环境中引入近红外光不仅可以显著调控BV-2小胶质细胞的形态更趋向于圆形的M0静息态转变，而且还能明显降低CD14的表达；从图12b中同样可以看出，在白光和黑暗环境中引入近红外光光不仅可以显著调控BV-2小胶质细胞的形态更趋向于圆形的M0静息态转变，而且还能明显降低CD16的表达；CD14和CD16免疫荧光染色的定量统计图如图12c所示，其中p<0.005，具有统计学意义；低表达量的CD14和CD16均反映了该光源可以有效调控白光下小胶质细胞的M1表型向M2表型的转变，以及有效调控黑暗环境下小胶质细胞的M0表型向M2表型的转变。
对光照培养24h的BV-2细胞进行MTT和ATP检测，结果如图12c和图12d所示；从图12c可以看出，小胶质细胞在白光下的存活率最低，其次是暗对照和白光+近红外光，最高的是暗光+近红外光，结果表明这种近红外光光可以有效提高细胞的存活率，同时可以促进细胞的增殖和分化，为小胶质细胞形态和表型的调控提供了更多的场所和可能；同时，如图12d所示，小胶质细胞释放的ATP还能促进细胞的增殖和分化；如图12d所示，检测了不同光源下小胶质细胞释放的ATP，与MTT增殖分化结果一致，白光下小胶质细胞释放的ATP最低，其次是黑暗对照组和白光+近红外光，最高的是黑暗+近红外光，说明该近红外光能促进小胶质细胞释放能量，更有利于小胶质细胞形态和表型的调控，使神经元处于更好工作状态。
实施例5
本实施例通过对比实验验证远红光-近红外光对保护神经元的作用，具体流程如下：
使用InGa3O6:Cr3+荧光粉封装LED器件，如图13所示，其发射光谱为宽带谱，发射波长峰值在830nm；为证实发射波长峰值在830nm宽带近红外具有保护神经元的作用，本实施例搭配发射波长峰值在670nm的单芯片LED灯珠制作的深红色灯具饲养小鼠；一种情况分别单独使用发射波长峰值为670nm和830nm的光，另一中情况是联合采用发射波长峰值为670nm和830nm的光；
采用6-8周C57BL/6小鼠，随机把30只小鼠分为6组；对于初始购得的小鼠，经过2周环境适应性后进行建模，通过腹腔注射百草枯诱导小鼠脑黑质神经元损伤，注射量控制在0.2毫克/千克，建模过程分为三次，即小鼠适应环境后的第1天、第8天和第15天；建模成功后，对小鼠进行光照处理；第一组为阴性对照组，第二组为阳性对照组，第三组为阳性和670nmLED光照处理组，第四组为阳性和670+830nmLED光照处理组，第五组为阳性和830nmLED光照处理组，第六组为670+830nmLED光源安全性评估组；各组的光剂量相同，光照强度均为5mW/cm2，每天照射两次，每次30分钟，共计18J/cm2/天，连续照射14天；在第15天宰杀小鼠，对小鼠脑黑质切片后进行HE染色分析；图14a-f中，所有的切片HE染色组的P为是否注射百草枯(P-为未注射，P+为注射)，L为是否光照治疗(后面为对应的波长)；
图14a为未注射多巴胺的阴性对照组，神经元均匀分布；图14b为注射百草枯后而未进行光照的阳性对照组，经过百草枯诱导后的阳性对照组(P+L+)神经元细胞数量显著减少，神经元细胞较少的面积增大，部分神经元核固缩坏死，部分区域出现水肿和空洞(图中椭圆形标注区域)；图14c为注射百草枯后采用670nm光照组，经670nm光照后神经元数量显著提高，但是依然有部分区域(图中三角形所画区域)神经元密度较低，且背底显著颜色差异表明存在神经炎症；图14d为注射百草枯后采用670+830nm光照组，不仅神经元相对密度显著提高，而且神经炎症也显著改善；图14e为注射百草枯后采用830nm光照组，与图14c相比，图14e中大部分区域神经元密度相对较低，但神经炎症明显改善：图14f为未注射百草枯而采用670+830nm光照组，图14f中神经元致密，形态饱满，有些区域的神经远分布密度甚至比图14a还高，未见光照引起的异常损害，说明本实验使用的光安全；图14c-e表明，三组光源均对小鼠脑组织和脑黑质神经元细胞损伤有一定的治疗作用，其中最佳的是670+830nm复合光，其次是670nm和830nm单色光。
本实施例的对比实验结果不仅表明红光-近红外光能够保护脑黑质中的神经元，而且表明在670nm深红光基础上添加发射波长峰值约为830nm的近红外光，起到了更好保护神经元的作用。
本发明实施例提出的诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置由LED蓝光芯片与红光-近红外光荧光粉封装而成，光子从该装置发射的位置和角度具有随机性，与激光装置和LED半导体芯片发光装置相比，光子照射到特定空间位置的几率大大降低，显著提高了该装置用于生物组织的安全性。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置，其特征在于，包括：
LED蓝光芯片；
红光-近红外光荧光粉，与所述LED蓝光芯片封装在一起；
所述装置发射的红光-近红外光谱半高宽不小于60nm，或全谱宽度不小于250nm。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置发射的红光-近红外光谱的波长在550-1100nm范围内；
所述装置在650-950nm波长范围的发射光谱与树荫下的太阳光谱构型相似度在50％以上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述红光-近红外光谱包括至少一个波长峰值；
当所述至少一个波长峰值的数量为1时，该波长峰值区间为710±20nm；
当所述至少一个波长峰值的数量为2时，这2个波长峰值区间优选为710±20nm、830±30nm；
当所述至少一个波长峰值的数量为3时，这3个波长峰值区间优选为670±10nm、710±20nm、830±30nm；
当所述至少一个波长峰值的数量为4时，这4个波长峰值区间优选为670±10nm、710±20nm、763±25nm、830±30nm、；
当所述至少一个波长峰值的数量为5时，这5个波长峰值区间优选为670±10nm、710±20nm、763±25nm、830±30nm、883±20nm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LED蓝光芯片的发射光谱的波长峰值区间为440-480nm，且与Cr3+的4A1-4T1激发带相匹配半高宽不大于25nm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红光-近红外光荧光粉包括ABO3:Cr3+、Ln(Al,Ga,Sc)3(BO3)4:Cr3+、(Li,Na)(Ga,Sc)O2:Cr3+、Ga2O3:Cr3+、MD2O4:Cr3+、MAl12O19:Cr3+、D(PO3)3:Cr3+、Al2P6O18:Cr3+、D2(WO4)3:Cr3+、Ba3In2WO9:Cr3+、Ba2In2O5:Cr3+、(Y,Gd)3(Ga,Sc,Al)5O12:Cr3+，Mg4Nb2O9:Cr3+、(Li,Na,K)ScSi2O6:Cr3+、Li(Sc,Al,Ga)O2:Cr3+、(Sr1-xBax)Ga12O19:Cr3+(x≤0.1)、In(GaO2)3:Cr3+、Zn4InGaO7:Cr3+、Zn3In2O6:Cr3+、In3Sb5O12:Cr3+、GdYScSbO7:Cr3+、GaSbO4:Cr3+、In2(MoO4)3:Cr3+、K3ScSi2O7:Eu2+中的至少一种；
其中，A和Ln各自独立地为Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种；
B为Sc或Ga；
M为Mg、Ca、Sr、Ba中的任意一种；
D为Al、Ga、Sc、In中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述红光-近红外光荧光粉包括LaGaO3:Cr3 +、GdScO3:Cr3+、YAl3(BO3)4:Cr3+、YGa3(BO3)4:Cr3+、CeSc3(BO3)4:Cr3+、Ga2O3:Cr3+、MgGa2O4:Cr3 +、Al(PO3)3:Cr3+、Gd3Ga5O12:Cr3+、LiScSi2O6:Cr3+、LiScO2:Cr3+、SrGa12O19:Cr3+、、和In(GaO2)3:Cr3+中的至少一种；
当所述红光-近红外光荧光粉中各个组分的质量比为(0.01-100％)1：(0-100％)3：……：(0-100％)n；
其中，下标1代表第一种组分，下标2代表第二种组分……下标n代表第n种组分。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置通过所述红光-近红外光荧光粉、任选的可见光荧光粉与LED胶依次经混合、脱泡除气、点胶、烘烤固化封装而成；
所述点胶为将所述脱泡除气后的混合物点到所述LED蓝光芯片上。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述可见光荧光粉为橘色、红色、深红色荧光粉中的任意一种；
所述可见光荧光粉的波长峰值区间为500-720nm，且与Cr3+的4A1-4T2激发带相匹配；
所述红光-近红外光荧光粉与可见光荧光粉的复配比为：0.01-1：0-1。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在诱导神经递质多巴胺分泌时，所述装置采用的照射光路为直射光路或反射光路；
所述照射的光照剂量不超过标准ISO 15004-2、GB/T 20145-2006/CIE S009/E:2002、GB 7247.1-2012/IEC 60825-1:2007。
10.一种权利要求1-9任意一项所述的装置在诱导神经递质多巴胺分泌中的应用，其特征在于，所述应用为利用所述装置作为核心发光部件制备医疗器械设备或医疗器械；
所述装置用于人体内神经递质多巴胺缺乏和/或紊乱疾病的辅助治疗；
所述神经递质多巴胺缺乏和/或紊乱疾病包括近视、弱视、精神疾病和神经退行性疾病。
Priority Applications (1)
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| CN202311472500.0A CN117752949A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种诱导神经递质多巴胺分泌的发光装置和应用 |
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