生物體形態(tài)結構與生理功能的維持離不開力學因素。在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中，力學調(diào)控與適應必不可少。腫瘤治療中，除采用小分子、納米藥物調(diào)控病灶部位的生物力之外，在實現(xiàn)腫瘤組織物理性機械殺傷方面，臨床上也借助光聲沖擊波、高強度聚焦超聲，以及磁場等干預方式實施治療，但總體而言，現(xiàn)有的治療手段還十分有限。
近日，中科院理化技術研究所與首都醫(yī)科大學聯(lián)合研究團隊，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬微顆粒在低溫凍結作用下發(fā)生液固相變時會引發(fā)微型爆破，由此形成鋒利尖銳的刀刃，以致可快速刺穿堅硬冰晶，這一行為應用于腫瘤低溫消融治療時可顯著增強目標組織和細胞的殺傷能力，文章還提出并證實了可同時滿足核磁共振（MR）成像及CT成像的雙模態(tài)成像模式（圖1）。該成果以”Liquid Metal Microparticles Phase Change Medicated Mechanical Destruction for Enhanced Tumor Cryoablation and Dual-Mode Imaging”?為題發(fā)表于國際知名期刊Advanced Functional Materials上，中科院理化技術研究所博士后孫旭陽為本文第一作者，中科院理化技術研究所雙聘研究員/清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系教授劉靜，與首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院盧潔教授為共同通訊作者。
1.?液態(tài)金屬微顆粒材料的低溫凍結微爆破現(xiàn)象
研究人員制備出一種由殼聚糖分散的液態(tài)鎵微米顆粒。此種材料具有高導熱率，是去離子水的15.53倍。實驗揭示，在體系的降溫過程中，鎵顆粒材料在經(jīng)受凍結由液態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)的相變行為會激發(fā)材料的劇烈形變，甚至在某個方向快速生成尖銳微刀刃，像一把金屬利劍一樣刺穿堅硬冰晶。在高速鏡頭下，研究人員拍攝到了材料爆炸樣的形變行為，仿佛寶劍出鞘一般劈出的鋒利尖刀，能夠在1毫秒內(nèi)刺穿150微米的堅硬冰晶（圖2；動圖1，動圖2）。
2.材料的生物相容性及在體安全性
體外細胞實驗及在體動物實驗均表明（圖3），液態(tài)金屬及其復合材料具有良好的生物相容性。三周內(nèi)，動物的體重以及肝、腎功能未見異常。這對此類材料后續(xù)的在體應用提供了有力的安全性依據(jù)。
3.在體低溫協(xié)同腫瘤治療試驗
研究中，液態(tài)金屬顆粒材料處于微米尺度范圍，通過瘤內(nèi)注射的方式遞送到腫瘤部位。系列原理性試驗證實，低溫冷凍手術協(xié)同液態(tài)金屬復合材料的機械殺傷顯示出較好的腫瘤增強治療效果（圖4）。
4.液態(tài)金屬顆粒材料在體雙模態(tài)成像試驗
實驗表明，本文研發(fā)的液態(tài)金屬顆粒材料具有良好的X射線以及CT成像效果。此外，研究人員首次發(fā)現(xiàn)，該鎵微米材料在核磁成像中能夠顯著影響T2值，可以同時介導CT和MR的雙模態(tài)成像（圖5）。
5.小結
作為一大類新興功能材料，液態(tài)金屬在生物醫(yī)學領域中的價值正日益體現(xiàn)，近年來為此涌現(xiàn)出了一系列全新方法與技術，如：液態(tài)金屬血管造影術、可注射可逆型低熔點骨水泥、液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復技術、液態(tài)金屬注射電子學與在體3D打印、液態(tài)金屬腫瘤血管栓塞劑以及液態(tài)金屬電子紋身等，這些突破為應對一系列挑戰(zhàn)性生物醫(yī)學難題提供了全新的視野。此次發(fā)現(xiàn)的液態(tài)金屬顆粒低溫相變微爆破現(xiàn)象，衍生出了若干有趣的液態(tài)金屬復合材料相變問題，其同時兼具基礎科學意義和實際應用前景，一方面豐富了液態(tài)金屬材料低溫物理學的研究范疇，另一方面研究中揭示的增強腫瘤低溫消融治療機制以及所實現(xiàn)的MRI-CT雙模態(tài)成像方法，對于今后的臨床應用也提供了高效的醫(yī)學手段及影像增敏途徑。
致謝：感謝海杰亞（北京）醫(yī)療器械公司在低溫醫(yī)學試驗方面給予大力幫助！感謝國家自然科學基金重大項目（No.51890893）及中國博士后基金項目（No. 2018M641486）資助！
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