北航馮林課題組：磁流體基靶向給藥微納米機(jī)器人小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)腫瘤殺傷

更新時(shí)間：2023-12-08

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近幾年具有出色變形能力和可控性的磁流體機(jī)器人受到廣泛關(guān)注。然而，這些研究大多是在體外進(jìn)行的，將磁流體用于體內(nèi)醫(yī)療應(yīng)用仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，將磁流體機(jī)器人應(yīng)用于人體也需要解決許多關(guān)鍵問題。本研究創(chuàng)建了基于磁流體的毫米機(jī)器人，用于體內(nèi)腫瘤靶向治療，其中考慮了生物相容性、可控性和腫瘤殺傷效果。針對(duì)生物相容性問題，磁流體機(jī)器人使用玉米油作為基載液。

此外，該研究使用的控制系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的生物介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的三維磁驅(qū)動(dòng)。利用1064納米的光熱轉(zhuǎn)換特性，磁流體機(jī)器人可以在體外殺死腫瘤細(xì)胞，在體內(nèi)抑制腫瘤體積、破壞腫瘤間質(zhì)、增加腫瘤細(xì)胞凋亡、抑制腫瘤細(xì)胞增殖。這項(xiàng)研究為基于磁流體的毫米機(jī)器人在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)靶向治療提供了參考。

近日，北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院馮林課題組提出了一種通過具有生物相容性的磁流體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)腫瘤的光熱治療方法。該方法將磁流體的基載液改為具有生物相容性的植物油，通過三維電磁控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磁流體機(jī)器人的靶向控制，對(duì)該種磁流體機(jī)器人在體外與體內(nèi)的生物相容性和光熱腫瘤殺傷效果進(jìn)行了細(xì)致的研究。本研究中的所有3D模型均使用摩方精密nanoArch®S140設(shè)備打印。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Biocompatible ferrofluid-based millirobot for tumor photothermal therapy in Near-Infrared II window"為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上，馮林教授為通訊作者，碩士生紀(jì)易明為第一作者。

圖1.用于近紅外 II 窗口腫瘤光熱治療的生物兼容磁流體液滴機(jī)器人（BFR）概念圖。

圖2. BFR表征。(A)Fe₃O₄納米粒子的 XRD 圖。(B)Fe₃O₄納米顆粒的傅立葉變換紅外圖。(C)油酸包裹Fe₃O₄納米顆粒的傅立葉變換紅外圖。(D) BFRs 中納米粒子的透射電子顯微鏡（TEM）結(jié)果。(E) 所制備磁流體的磁滯線。(F) 磁流體的紫外-可見-近紅外吸收光譜。(G) 不同濃度的BFR在 1064 納米近紅外照射下的溫度曲線。(H) 5個(gè)加熱-冷卻循環(huán)過程中BFR的光熱穩(wěn)定性研究。

該研究制備了一種生物相容性磁流體（BFR），并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)表征，如圖2所示。該生物相容性磁流體由超順磁性納米顆粒（磁響應(yīng)組分）和生物相容性植物油（基載液）構(gòu)成。雙層的油酸包裹磁顆粒使磁流體獲得較好的穩(wěn)定性。磁滯回線展現(xiàn)出該磁流體良好的磁響應(yīng)能力。紅外吸收光譜和光熱升溫曲線體現(xiàn)了該磁流體較好的光熱轉(zhuǎn)換效率和光熱穩(wěn)定性。

圖3. BFR在體外模擬血液循環(huán)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)。(A) BFR 可被控制移動(dòng)到全血環(huán)境中三維血管模型的任意分支。比例尺：5 毫米：(B) BFR 在肝門靜脈血管模型中的運(yùn)動(dòng)控制，顯示了 BFR 由于可變形性和分裂能力而在血管中的可移動(dòng)性。比例尺：2 毫米。(C) 磁流體機(jī)器人越過障礙物的側(cè)面示意圖。(D) BFR 在磁阻力作用下穿過障礙物和心臟組織表面的溝槽。(E) BFR 超聲成像示意圖。比例尺：5 毫米：(F) BFR 在一塊牛心血管組織的內(nèi)表面形成一個(gè)穩(wěn)定的球體。(G) 超聲成像視頻快照，顯示運(yùn)動(dòng)控制過程中 BFR 在不同時(shí)間的位置。比例尺：2 毫米。(H) BFR 在全血環(huán)境中逆流而上。比例尺：1 毫米。

同時(shí)該研究對(duì)BFR在針對(duì)模擬體內(nèi)靶向治療環(huán)境的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了詳細(xì)研討。通過四線圈三維電磁系統(tǒng)，磁流體機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)高精度三維運(yùn)動(dòng)控制。由于其具有很強(qiáng)的變形、分裂和融合能力，BFR可以在更為復(fù)雜的血管環(huán)境（如模擬肝門靜脈模型）中運(yùn)動(dòng)，以及逆血流的運(yùn)動(dòng)。此外，因所選磁流體基載液材為有機(jī)液體，該種磁流體并不會(huì)與血管和心臟內(nèi)壁發(fā)生粘連，可以實(shí)現(xiàn)在血管中和心臟表面的運(yùn)動(dòng)控制。磁顆粒與體內(nèi)環(huán)境的密度差異也使得超聲成像對(duì)BFR在體內(nèi)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖4. 體內(nèi)腫瘤殺傷實(shí)驗(yàn)。(A) 各實(shí)驗(yàn)組裸鼠在治療六天后的腫瘤情況，(B) 體重曲線。(C) 腫瘤大小曲線。(D) 六天治療后離體腫瘤組織的體積統(tǒng)計(jì)。(E) 小鼠腫瘤切片的 H&E 染色結(jié)果。比例尺：50 微米。(F) 和 (G) 腫瘤切片的 TUNEL 和 KI67 染色結(jié)果。黑色背景圖像為熒光圖像，白色背景圖像為特征熒光圖像。比例尺：100 μm。

此外，該種磁流體對(duì)體內(nèi)腫瘤的治療效果得到了驗(yàn)證。通過小鼠實(shí)驗(yàn)可以觀察到治療組小鼠的腫瘤體積有明顯的減小。在染色結(jié)果中治療組也展現(xiàn)出了對(duì)腫瘤組織的殺傷和抑制生長(zhǎng)效果。