发现液态金属冻结微爆破现象及其增强肿瘤杀伤与MRI-CT双模态成像机制

生物体形态结构与生理功能的维持离不开力学因素。在肿瘤的发生发展过程中,力学调控与适应必不可少。肿瘤治疗中,除采用小分子、纳米药物调控病灶部位的生物力之外,在实现肿瘤组织物理性机械杀伤方面,临床上也借助光声冲击波、高强度聚焦超声,以及磁场等干预方式实施治疗,但总体而言,现有的治疗手段还十分有限。

近日,中科院理化技术研究所与首都医科大学联合研究团队,发现液态金属微颗粒在低温冻结作用下发生液固相变时会引发微型爆破,由此形成锋利尖锐的刀刃,以致可快速刺穿坚硬冰晶,这一行为应用于肿瘤低温消融治疗时可显著增强目标组织和细胞的杀伤能力,文章还提出并证实了可同时满足核磁共振(MR)成像及CT成像的双模态成像模式(图1)。该成果以”Liquid Metal Microparticles Phase Change Medicated Mechanical Destruction for Enhanced Tumor Cryoablation and Dual-Mode Imaging” 为题发表于国际知名期刊Advanced Functional Materials上,中科院理化技术研究所博士后孙旭阳为本文第一作者,中科院理化技术研究所双聘研究员/清华大学医学院生物医学工程系教授刘静,与首都医科大学宣武医院卢洁教授为共同通讯作者。

《AFM》:发现液态金属冻结微爆破现象及其增强肿瘤杀伤与MRI-CT双模态成像机制
图1. 基于镓微米颗粒的低温消融与微爆破杀伤肿瘤协同治疗机制及在体双模态成像

 

1. 液态金属微颗粒材料的低温冻结微爆破现象

研究人员制备出一种由壳聚糖分散的液态镓微米颗粒。此种材料具有高导热率,是去离子水的15.53倍。实验揭示,在体系的降温过程中,镓颗粒材料在经受冻结由液态转变到固态的相变行为会激发材料的剧烈形变,甚至在某个方向快速生成尖锐微刀刃,像一把金属利剑一样刺穿坚硬冰晶。在高速镜头下,研究人员拍摄到了材料爆炸样的形变行为,仿佛宝剑出鞘一般劈出的锋利尖刀,能够在1毫秒内刺穿150微米的坚硬冰晶(图2;动图1,动图2)。

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图2. 镓微米颗粒表征及其受低温冻结发生相变与微爆破生成锋利刀刃的现象

 

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动图1.液态金属颗粒在低温显微镜下的利剑样形变

 

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动图2.液态金属颗粒在高速镜头下的爆炸样形变

 

2.材料的生物相容性及在体安全性

体外细胞实验及在体动物实验均表明(图3),液态金属及其复合材料具有良好的生物相容性。三周内,动物的体重以及肝、肾功能未见异常。这对此类材料后续的在体应用提供了有力的安全性依据。

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图3. 液态金属颗粒及其复合材料的生物安全性评估

 

3.在体低温协同肿瘤治疗试验

研究中,液态金属颗粒材料处于微米尺度范围,通过瘤内注射的方式递送到肿瘤部位。系列原理性试验证实,低温冷冻手术协同液态金属复合材料的机械杀伤显示出较好的肿瘤增强治疗效果(图4)。

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图4. 液态金属颗粒材料在体肿瘤低温消融与机械杀伤协同治疗

 

4.液态金属颗粒材料在体双模态成像试验

实验表明,本文研发的液态金属颗粒材料具有良好的X射线以及CT成像效果。此外,研究人员首次发现,该镓微米材料在核磁成像中能够显著影响T2值,可以同时介导CT和MR的双模态成像(图5)。

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图5. 液态金属颗粒材料在体双模态成像

 

5.小结

作为一大类新兴功能材料,液态金属在生物医学领域中的价值正日益体现,近年来为此涌现出了一系列全新方法与技术,如:液态金属血管造影术、可注射可逆型低熔点骨水泥、液态金属神经连接与修复技术、液态金属注射电子学与在体3D打印、液态金属肿瘤血管栓塞剂以及液态金属电子纹身等,这些突破为应对一系列挑战性生物医学难题提供了全新的视野。此次发现的液态金属颗粒低温相变微爆破现象,衍生出了若干有趣的液态金属复合材料相变问题,其同时兼具基础科学意义和实际应用前景,一方面丰富了液态金属材料低温物理学的研究范畴,另一方面研究中揭示的增强肿瘤低温消融治疗机制以及所实现的MRI-CT双模态成像方法,对于今后的临床应用也提供了高效的医学手段及影像增敏途径。

致谢:感谢海杰亚(北京)医疗器械公司在低温医学试验方面给予大力帮助!感谢国家自然科学基金重大项目(No.51890893)及中国博士后基金项目(No. 2018M641486)资助!

 

 

论文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202003359

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