使用PμSL 3D打印技術制備金納米花包覆的光敏感元結構用于癌癥熱療

更新時間：2024-12-11

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貴金屬納米顆粒特性特別，在生物醫(yī)學領域具有應用價值，如光熱治療（PTT）技術，可實現(xiàn)微創(chuàng)抗癌治療，相較于化療等對健康細胞損害較小。然而，PTT存在諸多問題，如毛細血管滲漏綜合征、皮膚癥狀及深層治療無效等，限制了其的廣泛應用，若采用過渡金屬氧化物納米顆粒則有望改善光療缺陷。金納米顆粒（AuNPs）因其穩(wěn)定性、生物相容性、高效光熱轉換及局部等離子體共振（LPR）特性，在熱療研究中備受青睞。

在與其他傳統(tǒng)3D打印技術相比較，例如立體光刻（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、熔融沉積建模（FDM）等，水凝膠所需的3D打印技術，旨在實現(xiàn)復雜結構的高效率構建、時間有效利用以及超高打印精度，從而尋求在多個維度上的最佳平衡。來自馬克斯-普朗克研究所、薩班哲大學的研究團隊，最終選擇采用摩方精密面投影微立體（PμSL）光刻3D打印技術，結合計算機輔助設計軟件，實現(xiàn)了kirigami結構的精準打印。

相關研究成果以“Fabrication of Gold Nanoflower-Coated Photosensitive Meta Structures Using PμSL 3D Printing for Hyperthermia Applications"為題發(fā)表在國際期刊《ACS Applied Polymer Materials》上。

該研究對五種不同配方的LIHAM水凝膠進行了系統(tǒng)的形態(tài)、物理及熱學特性比較分析。這些水凝膠的制備原料包括西蘭花提取物、聚多巴胺（PDA）、玫瑰紅（RB）、N-異丙基丙烯酰胺-聚乙二醇（NIPAM-PEG）的共聚物以及金納米花。隨后，本研究進一步深入探討了不同添加劑材料對水凝膠性能的促進作用。此外，通過對比實驗，該研究詳細考察了水凝膠的可打印性、最佳曝光時間以及適宜的光強度，以確立理想的LIHAM水凝膠制備標準。

圖1. (a) 展示了制備LIHAM水凝膠的溶液合成步驟及所需化學試劑，包括HEMA、PEG、PEGDA和TPO-L；(b) 描述了在先前研究中，如何將玫瑰紅（RB）與由西蘭花提取物和PDA合成的AuNPs進行結合并包覆的實驗步驟。

圖2. 摩方精密 microArch^® S240（精度：10 μm）生物打印機制備kirigami結構的詳細步驟，以及制備LIHAM水凝膠的具體流程。

圖3. 根據不同打印時間和強度參數，制備了LIHAM kirigami水凝膠。

圖4. 以西蘭花提取物為原料成功制備的AuNPs，以及其四類混合物。

圖5. AuNPs的形態(tài)學、光學、熱學及生物分析。

圖6. 五種水凝膠在500至4000 cm^-1波數范圍內的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析。

研究團隊對五種不同配方的水凝膠進行了差示掃描量熱法（DSC）分析，以觀察相變、玻璃化轉變溫度（Tg）值和反應。同時，對這五種水凝膠進行了熱療分析，以檢驗熱療效果，這是研究的重要目標之一，并證明開發(fā)的水凝膠是具有光熱響應的。

實驗數據表明，LIHAM水凝膠的Tg值為36.15°C，而LIHAM@AuNPs水凝膠的Tg值提升至37.16°C，表明AuNPs的加入增強了NIPAM與PEG間的物理鍵，限制了分子運動。AuNPs與AuNPs@RB間的化學鍵較強，RB的加入僅輕微降低了Tg值。FTIR分析顯示，LIHAM@AuNPs與LIHAM@AuNPs@RB間的峰值差異顯著，RB的加入猝滅了AuNPs的部分化學鍵，導致Tg值下降。

LIHAM@AuNPs@PDA水凝膠的Tg值增至40.93°C，反映出AuNPs@PDA間強鍵的作用，增加了水凝膠的活化能。LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝膠需最高能量，共軛AuNPs@PDA@RB增強了化學鍵，分子運動需更多能量，Tg值達42.34°C。

LIHAM水凝膠未顯示熔點，呈無定形結構。但隨著添加劑增加，尤其是LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝膠，DSC分析顯示半結晶聚合物結構，結晶溫度43-45°C，熔點46.14°C，熔化需0.23040 J/g焓。水凝膠由無定形轉變?yōu)榘虢Y晶，化學和物理鍵的變化解釋了機械性能的提升和Tg值的增加。LIHAM水凝膠的透明性表明其為無定形聚合物，而LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝膠的半透明性及DSC分析結果證實其為半結晶結構。

圖7. 不同水凝膠的DSC分析及這些水凝膠的玻璃化轉變溫度（Tg）值。

隨后，研究團隊針對這五種水凝膠在未啟動加熱裝置的前提下，進行了565 nm黃色激光的照射處理，并對其形狀變化進行了細致的分析。圖8展示了LIHAM系列水凝膠在實驗過程中的形態(tài)演變，依次展示了水凝膠打印完成后的原始狀態(tài)、在565 nm黃色激光照射20分鐘后的變化狀態(tài)，以及在加熱器加熱20分鐘后的最終形態(tài)。

圖8. (a) 在565nm（黃色激光）光源下，對不同水凝膠進行熱療分析，這是AuNPs、RB和PDA提高溫度的最佳光源，展示了水凝膠在初始狀態(tài)、經過565nm激光照射20分鐘后以及隨后加熱器加熱20分鐘后的厘米尺度長度變化。(b) AuNPs、RB和PDA光敏劑在三種不同可見光源（470nm（藍色），565nm（黃綠色）和625nm（紅色））下照射20分鐘后的溫度變化。(c) 不同水凝膠在初始狀態(tài)、565nm激光照射和加熱器加熱后的長度變化。

總結：本研究組成功研發(fā)的LIHAM@Au@PDA@RB水凝膠在熱療領域表現(xiàn)出了優(yōu)異的應用潛力，它有可能在癌癥治療過程中替代被切除的組織，發(fā)揮重要作用。本研究的成果不僅為水凝膠在光熱治療領域的應用提供了新的思路，同時也展示了其作為癌變區(qū)域皮膚貼片的巨大應用前景。該水凝膠在機械性能、熱學性能以及形態(tài)穩(wěn)定性等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，充分證明了其作為一種具有廣闊發(fā)展空間的高性能材料的價值。