有機(jī)電致發(fā)光二極管在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

郭 璇，李步洪

（福建師范大學(xué)，醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350007）

有機(jī)電致發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED）是利用功能化的有機(jī)材料，在外加電壓下實(shí)現(xiàn)載流子遷移和復(fù)合發(fā)光的半導(dǎo)體器件［1］。自Tang和Vanslyke［2］首次通過蒸鍍熒光材料成功制備OLED以來，有機(jī)材料、器件結(jié)構(gòu)和制備工藝已得到顯著改進(jìn)。采用磷光材料和光萃取結(jié)構(gòu)的基板，器件外量子效率（external quantum efficiency，EQE）由最初的1%提升到30%以上。在此基礎(chǔ)上，如果采用具有水平取向的發(fā)光材料和低折射率電極，器件EQE將超過60%［3］。除了熱蒸鍍法，OLED還可以采用溶液法以旋涂、刮涂和噴墨打印等方式實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，大大降低器件成本［4］。

OLED所用小分子和聚合物等有機(jī)材料在成膜時(shí)形成無定形的結(jié)構(gòu)［5］，在反復(fù)彎曲折疊過程中不易被破壞，且功能層厚度僅為百納米，因此OLED突出的優(yōu)點(diǎn)是用于制備柔性器件。由于器件表面彎曲應(yīng)變與厚度成正比、與曲率半徑成反比，在應(yīng)變許可的范圍內(nèi)，器件越薄彎曲曲率越大。White等［6］基于聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）柔性基板成功制備厚度僅2 μm的柔性器件，器件曲率半徑小至10 μm，在揉皺、扭曲后仍能正常工作。Choi等［7］使用聚萘二甲酸乙二醇酯纖維編織成柔性基板，替代PET制備OLED，基板可動纖維和波浪狀結(jié)構(gòu)分散器件內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力，使器件的柔韌性更高，在反復(fù)彎曲中更不易損壞。Yin等［8］將OLED黏附于彈性基板，經(jīng)預(yù)拉伸處理，器件長度可延展至初始長度的2倍。

OLED擁有連續(xù)平整的發(fā)光層，能實(shí)現(xiàn)均勻輻照，且基于柔性基板的器件重量小于1 g，其作為一種輕薄、柔性面光源在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正在快速發(fā)展。可穿戴OLED醫(yī)療光電產(chǎn)品不受地點(diǎn)和時(shí)間限制，為患處提供貼合組織表面且均勻的光照。如封裝后的OLED作為治療或刺激光源長期置于體內(nèi)［9］，或作為傳感器的光源整合在繃帶內(nèi)用于監(jiān)測傷口愈合過程［10］。本文將從光動力療法（photodynamic therapy，PDT）、光電容積脈搏監(jiān)測、光吸收式血氧監(jiān)測、光遺傳學(xué)和光生物調(diào)制5個(gè)方面介紹OLED在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

1 PDT

PDT是一種聯(lián)合利用光敏劑、光和氧分子，通過光動力反應(yīng)選擇性地治療惡性病變和良性病變等疾病的靶向療法［11］。光源作為PDT中的三大關(guān)鍵要素之一，其發(fā)射光譜與光敏劑吸收光譜的匹配程度、光功率密度和光劑量直接決定其療效［12］。OLED發(fā)射波長分布在可見光及800～1 000 nm的近紅外波段［13］，覆蓋常用光敏劑600～700 nm的多重吸收峰［14］。可穿戴式OLED面光源產(chǎn)生貼合患處的均勻輻照，便于調(diào)節(jié)功率密度和輻照時(shí)長。相比價(jià)格昂貴、體積龐大的固體激光器，OLED作為治療光源更輕便靈活［15-16］；相比同為便攜式光源的無機(jī)發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED），OLED能有效散熱，減小器件內(nèi)高電流密度導(dǎo)致的局部升溫，無需搭配使用棱鏡、擴(kuò)散板、光纖織物即可產(chǎn)生均勻輻照［17］。輕便、可穿戴OLED已成為PDT的新型光源［18］。

表1列舉了OLED在PDT中的應(yīng)用。Lian等［19］制備帶有微腔效應(yīng)的器件，如圖1a所示，通過改變空穴傳輸層（hole transport layer，HTL）厚度，在669～737 nm范圍內(nèi)調(diào)控器件發(fā)光峰，以匹配具有不同吸收光譜的光敏劑。選擇亞甲基藍(lán)（methylene blue，MB）作為光敏劑，基于柔性O(shè)LED的PDT殺死超過99%的金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）。如圖1b所示，Jeon等［20］制備了柔性并聯(lián)疊層式OLED，器件發(fā)光峰位于660 nm，在35 mW/cm2的功率密度下可穩(wěn)定運(yùn)行100 h，器件的最大功率密度超過100 mW/cm2，具有實(shí)用價(jià)值。配合氟硼二吡咯（boron dipyrromethene，BODIPY）作為光敏劑，基于該器件的PDT能有效減少黑素瘤細(xì)胞活力。Guo等［21］將發(fā)光波長為626 nm的OLED應(yīng)用于治療患有膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的小鼠，選用5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，ALA）作為光敏劑，輻照光源功率密度為3 mW/cm2，經(jīng)過3.7 h治療，治療組小鼠的平均壽命（40.5 d）明顯長于未接受治療的對照組（26.0 d）。Attili等［22］將OLED應(yīng)用于非黑色素瘤皮膚癌的治療，患處經(jīng)表面清理后敷上ALA軟膏，待藥物滲透后實(shí)施功率密度為5 mW/cm2、時(shí)長為3 h的紅光照射，該治療過程大大減輕了傳統(tǒng)PDT的疼痛感，且約60%的患者在1年后回訪中沒有復(fù)發(fā)。

圖1 用于PDT的OLEDFig.1 OLED for PDT

表1 OLED在光動力療法中的應(yīng)用Tab.1 OLED for PDT

2 光電容積脈搏波監(jiān)測

非侵入性傳感器被廣泛應(yīng)用于患者的健康檢測，其中全天候監(jiān)測的穿戴器件長期提供患者的生理信息，對患者的術(shù)后恢復(fù)以及精神系統(tǒng)疾病、藥物成癮的治愈十分重要［23-25］。脈搏信號作為常用醫(yī)學(xué)信號，是血管內(nèi)血流量隨心臟搏動呈現(xiàn)周期性變化的體現(xiàn)。由于血液組織對入射光的吸收隨血流量變化，心動周期可以通過使用光電探測器非侵入地測量經(jīng)血液組織作用的入射光推斷得到，測得的周期性變化光能曲線，被稱為光電容積脈搏波（photoplethysmography，PPG）。如圖2a和2b所示，PPG測量方式分為測量光源發(fā)出后透過組織的光（透射式測量）和經(jīng)組織反射的光（反射式測量）［26］。

由于人體表面多為曲面，相比于剛性的無機(jī)LED監(jiān)測器件，基于OLED和有機(jī)光電二極管（organic photodiode，OPD）的柔性反射式器件具有貼合皮膚表面、佩戴舒適、低功耗和適用于身體各處等優(yōu)點(diǎn)，有利于減小周圍環(huán)境變化和器件相對于皮膚組織位移對PPG信號的影響，實(shí)現(xiàn)全天候穩(wěn)定醫(yī)學(xué)信號監(jiān)測［10］。如圖2c所示，Elsamnah等［27］制備由環(huán)形OLED包圍圓形OPD和環(huán)形OPD包圍圓形OLED的兩種反射式脈搏探測器，用于監(jiān)測手指、手腕、前臂和前額等部位的脈搏信號，其中基于圓形OLED的器件最低功耗僅0.1 mW。該研究組在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，如圖2d所示，調(diào)整中心圓形OLED面積和OLED與OPD的間距后，器件最低功耗僅8 μW，有望降低全天候脈搏計(jì)對電池容量的要求［28］。

圖2 基于OLED的脈搏計(jì)Fig.2 OLED-based pulse meter

3 光吸收式血氧監(jiān)測

血液中存在氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）和脫氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin，Hb）。血氧飽和度為HbO2占總血紅蛋白的比例，直接表征個(gè)體的身體健康狀況，對血氧的持續(xù)監(jiān)測有望得到與其他癥狀或身體狀況間的潛在關(guān)聯(lián)［29］。光吸收式血氧儀工作原理與PPG測量類似，由光電二極管測得經(jīng)血液組織作用的光強(qiáng)，計(jì)算經(jīng)皮血氧飽和度（peripheral oxygen saturation，SpO2）［30］。由于 HbO2和Hb的消光系數(shù)曲線在可見光至近紅外波段有較大區(qū)別，測量兩個(gè)不同波段的信號光即可計(jì)算SpO2。根據(jù)HbO2和Hb的消光系數(shù)在不同波長下的比值，人們通常選擇綠光和紅光，或者是紅光和紅外光光源用于血氧監(jiān)測儀。

柔性O(shè)LED血氧儀貼合皮膚表面，有效減少環(huán)境光的工頻干擾和測量部位相對位移導(dǎo)致的混頻運(yùn)動干擾，達(dá)到了與商用激光多普勒血流儀相當(dāng)?shù)木_度，同時(shí)更不容易受肢體運(yùn)動和體表曲率所影響［31］。優(yōu)化OLED血氧監(jiān)測儀（圖3），包括器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［32-33］、快速的器件制備［34-35］以及長時(shí)間穿戴的柔性器件［36-37］等成為未來的重要研究方向。Lee等［33］將血氧儀中的OPD設(shè)計(jì)成8字形，兩個(gè)圓環(huán)分別包圍紅光和綠光的OLED，僅消耗數(shù)十微瓦的電功率即可完成身體各處血氧含量的測量。Han等［35］采用刮涂法同時(shí)制備兩種不同顏色的聚合物OLED，加快了整體器件的制備效率。Yokota等［37］成功制備厚度僅3 μm的柔性器件，像皮膚一樣貼合手背和臉頰等不同部位，并在同一基板上制備柔性血氧監(jiān)測儀和柔性顯示器，有望同步顯示監(jiān)測結(jié)果。除了單點(diǎn)血氧監(jiān)測，復(fù)數(shù)OLED光源及光電探測器共同組成的大面積柔性血氧儀陣列提供的皮膚表面血氧分布圖，在定量評估組織損傷和監(jiān)測皮膚移植后的恢復(fù)過程中具有潛在的應(yīng)用［38］。

圖3 基于OLED的血氧監(jiān)測儀［32］Fig.3 OLED-based oximeter［32］

4 光遺傳學(xué)

光遺傳學(xué)是利用光對特定轉(zhuǎn)基因細(xì)胞進(jìn)行刺激，通過人為地激發(fā)、抑制或者控制信號傳導(dǎo)途徑對細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控［39］，有助于對抑郁癥等精神或神經(jīng)疾病開展深入研究和有效治療［40-41］。在光遺傳學(xué)刺激光源的選取中，得益于快速開關(guān)、器件輕薄等優(yōu)點(diǎn)，OLED成為除鹵素?zé)簟⒓す夂蜔o機(jī)LED外的新型光源［42-43］。

OLED光遺傳學(xué)細(xì)胞試驗(yàn)包括：使用陽離子指示劑［44］、微電極陣列［45］和膜片鉗［46］等手段研究光敏基因表達(dá)的目標(biāo)神經(jīng)元在光照下跨膜電位去極化過程；使用OLED陣列控制綠藻運(yùn)動［47-48］。Morton等［44］對引入鈣指示劑CheRiff的神經(jīng)元施加OLED藍(lán)光照射，神經(jīng)元去極化后指示劑的紅色熒光顯著增強(qiáng)。如圖4所示，Matarèse等［46］使用頻率為10 kHz的方波信號驅(qū)動的OLED激活神經(jīng)元細(xì)胞ChrimsonR視蛋白表達(dá)，利用膜片鉗成功測量光激發(fā)與細(xì)胞動作電位間毫秒量級的時(shí)間差。Steude等［49］制備單個(gè)器件僅6 μm×9 μm、共320×720個(gè)獨(dú)立操作的藍(lán)光OLED陣列，高分辨OLED陣列通過點(diǎn)亮個(gè)別像素點(diǎn)激活單個(gè)通道視紫紅質(zhì)蛋白-2（channelrhodopsin-2，ChR2）表達(dá)的人胚腎細(xì)胞。同時(shí)，他們還利用該OLED陣列驗(yàn)證了通道視紫紅質(zhì)蛋白表達(dá)的萊茵衣藻的趨光性，實(shí)現(xiàn)了對綠藻運(yùn)動的控制［50］。

圖4 同步光激發(fā)與膜片鉗記錄示意圖［46］Fig.4 Schematic diagram of simultaneous photo-stimulation and patch-clamp recordings［46］

OLED光遺傳學(xué)活體試驗(yàn)為：對轉(zhuǎn)入ChR2的轉(zhuǎn)基因果蠅幼蟲［51-53］和小鼠［45，54］等活體動物施加光刺激，在激發(fā)目標(biāo)神經(jīng)元的動作電位后，觀察、記錄并分析試驗(yàn)動物的反應(yīng)，建立光刺激與特定反應(yīng)間的聯(lián)系。Morton等［52］制備藍(lán)、綠、橙三色OLED，激發(fā)ChR2(H134R)第三齡轉(zhuǎn)基因果蠅幼蟲體內(nèi)神經(jīng)元的動作電位（圖5a），在藍(lán)、綠、橙光分別刺激下，果蠅幼蟲肌肉收縮程度與ChR2(H134R) 響應(yīng)光譜一致。Murawski等［53］制備一列寬度和間距均僅為100 μm的藍(lán)光OLED，如圖5b所示，單個(gè)器件光照寬度小于果蠅幼蟲的單個(gè)腹部節(jié)寬度，實(shí)現(xiàn)了對CsChrimson、GtACR2轉(zhuǎn)基因果蠅幼蟲單個(gè)腹部節(jié)的控制，通過依次點(diǎn)亮OLED列上相鄰各器件控制果蠅幼蟲爬行過程。Kim等［54］制備厚度僅2 μm的柔性藍(lán)光OLED，貼附在W-TChR2V4轉(zhuǎn)基因鼠的股薄肌表面，控制小鼠后肢發(fā)生與刺激光頻率一致的顫動。同時(shí)，該研究組發(fā)現(xiàn)由于OLED具有超薄和非磁性的特點(diǎn)，在磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）過程中不造成偽影，將OLED與MRI共同使用，有望深入研究腦部神經(jīng)組織在光刺激下的響應(yīng)。現(xiàn)階段光遺傳學(xué)試驗(yàn)多采用藍(lán)光OLED作為刺激光源，為增加刺激光在生物組織內(nèi)的穿透深度和減小光誘導(dǎo)細(xì)胞損傷，應(yīng)采用Chrimson和嗜鹽細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白等吸收峰波長較長的光敏蛋白，或上轉(zhuǎn)換納米粒子輔助的光遺傳學(xué)系統(tǒng)，以黃光至近紅外光OLED作為光源開展光遺傳學(xué)試驗(yàn)［55］。

圖5 基于OLED的光遺傳學(xué)及所用器件Fig.5 OLED-based optogenetics and photographs of OLED

5 光生物調(diào)制

光與細(xì)胞內(nèi)的單種或多種發(fā)色團(tuán)相互作用，可以激活或抑制細(xì)胞功能，如紅光或近紅外光對線粒體呼吸鏈末端酶的激活導(dǎo)致腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）產(chǎn)量增加、細(xì)胞代謝活化和增殖［56］。660 nm波長的輻照有助于加速糖尿病患者傷口纖維原細(xì)胞的增殖、擴(kuò)散和遷移等愈合過程［57］。由于OLED輕薄、柔性的優(yōu)點(diǎn)，將集成有紅光OLED和柔性電池的貼片或繃帶貼附于傷口表面，提供均勻的紅光輻照以加速傷口愈合，已經(jīng)成為光生物調(diào)制器件（photobiomodulation，PBM）的新興研究方向［58］。

表2列舉了基于OLED的傷口治療PBM。Jeon等［59］制備帶有紅光OLED的PBM貼片，器件重量僅0.82 g，厚度僅676 μm，在初始功率密度超過6.4 mW/cm2的情況下，器件連續(xù)工作300 h，功率密度下降僅70%。經(jīng)過5 mW/cm2的紅光照射10 min后，人類纖維母細(xì)胞在24 h培養(yǎng)內(nèi)相對于未經(jīng)照射的對照組出現(xiàn)明顯的細(xì)胞遷移。如圖6所示，Jeon等［60］制備了厚度僅10 μm的紅光OLED用于加快角質(zhì)細(xì)胞的增殖和遷移，器件貼合紡織品和皮膚表面，經(jīng)1 000次折疊后效率不變，器件內(nèi)的封裝層有效阻隔水氧入侵，經(jīng)水洗后仍正常工作。Wu等［61］將基于OLED的PBM應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因糖尿病小鼠傷口治療，光照增強(qiáng)了傷口愈合初始階段巨噬細(xì)胞的活性，在紅光OLED光劑量為5 J/cm2、連續(xù)5 d的光照治療下，傷口閉合的百分比為（40.94±3.49）%，相對于未接受治療的對照組（25.03±5.29）%顯著提高。

表2 OLED在加速傷口愈合中的應(yīng)用Tab.2 OLED for wound healing

圖6 基于OLED的PBM［60］Fig.6 OLED-based PBM［60］

6 總結(jié)與展望

隨著有機(jī)半導(dǎo)體材料的研究發(fā)展和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，OLED已廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在PDT中，OLED不受時(shí)間地點(diǎn)限制，為患者提供均勻、貼合患處的治療光，是理想的可穿戴PDT光源；在醫(yī)學(xué)傳感器中，基于OLED的柔性脈搏血氧監(jiān)測器功率低至微瓦量級，反射式器件準(zhǔn)確測得指尖、手背和臉頰等不同部位的血氧含量，柔性O(shè)LED血氧儀陣列提供身體表面血氧分布圖；在光遺傳學(xué)中，OLED作為光源快速點(diǎn)亮、熄滅有助于研究毫秒尺度的光遺傳學(xué)過程，微米級別的照明區(qū)域控制單個(gè)細(xì)胞激活；在PBM中，集成OLED的護(hù)理貼片重量不足1 g，紅光照射有助于傷口愈合。

得益于柔性、均勻輻照、貼合組織表面等優(yōu)點(diǎn)，將OLED作為小型化光源應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測和疾病治療已成為重要發(fā)展方向。但是，OLED還存在最大功率密度相對較低、器件EQE和壽命隨功率增大而減小等不足，在一定程度上限制了光治療等需要較高光功率密度的臨床應(yīng)用。為了更好地滿足臨床應(yīng)用對光源的要求，OLED可采用疊層器件結(jié)構(gòu)提高最大功率密度；另外，開發(fā)熱致延遲熒光材料等新型有機(jī)材料，以減小器件高亮度下三線態(tài)激子濃度，進(jìn)而避免EQE在高功率時(shí)的嚴(yán)重滾降［62］；再者，通過提升器件封裝層的水氧阻隔性能，以延長器件壽命。