基于纳米工艺的微纳米颗粒在微波选择性定域肿瘤热疗领域的应用

癌症是当今世界致死率最高的疾病之一。如何有效的治疗癌症同时又不影响周围组织器官,成为当前癌症治疗领域最迫切需要解决的问题。传统的手术切除、放疗/化疗,因其治疗的不彻底性、临床受用范围狭窄、引起的严重副作用而广受诟病。近几十年,肿瘤热疗作为一种新兴技术,因为可以有效地杀灭癌细胞(或降低其活性)但同时又可以尽量不破坏周围组织器官,而受到越来越多的科研工作者的兴趣。尤其最近几年,由于微纳米科技的兴起,通过引入微纳米颗粒作为一种外加电磁波的吸收媒介,选择性定域加热的高效肿瘤热疗变为可能。人们已经开发出基于红外线下表面等离子共振的纳米“金弹”用于肿瘤热疗技术。然而这种技术受限于红外线仅能穿透皮肤1毫米左右,无法适用于深层肿瘤的治疗。其他已开发的微纳米颗粒,比如磁纳米颗粒,碳纳米管,因在微波下工作而有较长的人体穿透距离;但他们的吸收效率极其依赖于颗粒的形貌与大小。而在化学合成工艺中由于熵的限制,这些重要参数很难进行进一步的优化。

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近期,美国南加州大学的吴蔚教授课题组提出可以通过自顶向下的纳米加工工艺,从而突破熵的限制,制备出形貌更自由可控的微纳米颗粒 (lithographically defined particles (LDPs)) 作为微波吸收媒介,来进行选择性定域肿瘤热疗。为了将LDP可注射于人体,其最大尺度应小于血红细胞(8微米直径);而微波的波长却在厘米量级。在如此亚波长范围内,颗粒可归为两类机制:磁偶极子和电偶极子。该课题组通过理论仿真分析发现,圆盘状磁偶极子的微波吸收效率显著高于棒状的电偶极子。进一步优化的镍核磁偶极子有更高的吸收效率,然而实验中依然采用加工更为简单且吸收效率几乎一致的盘状金磁偶极子来进行选择性定域微波加热的研究。

LDP采用光刻定义的纳米加工工艺,并通过牺牲层剥离工艺将LDP从硅片上大量释放于溶液中。进一步地,通过离心分离技术和循环稀释法,LDP可成功从该溶液转移至水中。该课题组研发的此方法可以方便地分散或富集LDP,从而调控LDP水溶液的浓度。在微波加热实验中,该课题组使用一种常用的水凝胶——琼脂糖——来模拟人体内环境,并成功制备出了LDP—琼脂糖复合样品作为测试假体。微波加热实验表明,此种纳米加工工艺制备的LDP可有效吸收微波。与参照组对比,升温提高了1.64倍。而且,LDP展示出了极强的选择性局域加热效应。这些都有力地证明了基于纳米加工的LDP在选择性定域微波肿瘤热疗领域的应用潜力。该工作为肿瘤热疗领域的微纳米颗粒制备技术提供了崭新的思路。

相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201600038)上,第一作者为南加州大学电子工程系博士生王诣斐。