生物體形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能的維持離不開力學(xué)因素。在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中，力學(xué)調(diào)控與適應(yīng)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(jī)械殺傷方面，臨床上也借助光聲沖擊波、高強(qiáng)度聚焦超聲，以及磁場等干預(yù)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(shù)研究所與首都醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬微顆粒在低溫凍結(jié)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(yīng)用于腫瘤低溫消融治療時可顯著增強(qiáng)目標(biāo)組織和細(xì)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(shù)研究所博士后孫旭陽為本文第一作者，中科院理化技術(shù)研究所雙聘研究員/清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授劉靜，與首都醫(yī)科大學(xué)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(jié)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(dǎo)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(jié)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(xì)胞實驗及在體動物實驗均表明（圖3），液態(tài)金屬及其復(fù)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(yīng)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(shù)協(xié)同液態(tài)金屬復(fù)合材料的機(jī)械殺傷顯示出較好的腫瘤增強(qiáng)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(dǎo)CT和MR的雙模態(tài)成像（圖5）。
5.小結(jié)
作為一大類新興功能材料，液態(tài)金屬在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(shù)，如：液態(tài)金屬血管造影術(shù)、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(fù)技術(shù)、液態(tài)金屬注射電子學(xué)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(yīng)對一系列挑戰(zhàn)性生物醫(yī)學(xué)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(fù)合材料相變問題，其同時兼具基礎(chǔ)科學(xué)意義和實際應(yīng)用前景，一方面豐富了液態(tài)金屬材料低溫物理學(xué)的研究范疇，另一方面研究中揭示的增強(qiáng)腫瘤低溫消融治療機(jī)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(yīng)用也提供了高效的醫(yī)學(xué)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(xué)試驗方面給予大力幫助！感謝國家自然科學(xué)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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