北航馮林課題組: 磁流體基靶向給藥微納米機器人小鼠體內實現(xiàn)腫瘤殺傷

來源：摩方精密

近幾年具有出色變形能力和可控性的磁流體機器人受到廣泛關注。然而，這些研究大多是在體外進行的，將磁流體用于體內醫(yī)療應用仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。同時，將磁流體機器人應用于人體也需要解決許多關鍵問題。本研究創(chuàng)建了基于磁流體的毫米機器人，用于體內腫瘤靶向治療，其中考慮了生物相容性、可控性和腫瘤殺傷效果。針對生物相容性問題，磁流體機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)能夠在復雜的生物介質中實現(xiàn)對機器人的三維磁驅動。利用1064納米的光熱轉換特性，磁流體機器人可以在體外殺死腫瘤細胞，在體內抑制腫瘤體積、破壞腫瘤間質、增加腫瘤細胞凋亡、抑制腫瘤細胞增殖。這項研究為基于磁流體的毫米機器人在體內實現(xiàn)靶向治療提供了參考。

近日，北京航空航天大學機械學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器人實現(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)實現(xiàn)磁流體機器人的靶向控制，對該種磁流體機器人在體外與體內的生物相容性和光熱腫瘤殺傷效果進行了細致的研究。本研究中的所有3D模型均使用摩方精密nanoArch®S140設備打印。相關研究內容以“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），并對其進行了詳細表征，如圖2所示。該生物相容性磁流體由超順磁性納米顆粒（磁響應組分）和生物相容性植物油（基載液）構成。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)境中的運動。(A) BFR 可被控制移動到全血環(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動控制，顯示了 BFR 由于可變形性和分裂能力而在血管中的可移動性。比例尺：2 毫米。(C) 磁流體機器人越過障礙物的側面示意圖。(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表面形成一個穩(wěn)定的球體。(G) 超聲成像視頻快照，顯示運動控制過程中 BFR 在不同時間的位置。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。

同時該研究對BFR在針對模擬體內靶向治療環(huán)境的運動控制進行了詳細研討。通過四線圈三維電磁系統(tǒng)，磁流體機器人可以實現(xiàn)高精度三維運動控制。由于其具有極強的變形、分裂和融合能力，BFR可以在更為復雜的血管環(huán)境（如模擬肝門靜脈模型）中運動，以及逆血流的運動。此外，因所選磁流體基載液材為有機液體，該種磁流體并不會與血管和心臟內壁發(fā)生粘連，可以實現(xiàn)在血管中和心臟表面的運動控制。磁顆粒與體內環(huán)境的密度差異也使得超聲成像對BFR在體內的位置進行實時顯示。

圖4. 體內腫瘤殺傷實驗。(A) 各實驗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。(E) 小鼠腫瘤切片的 H&E 染色結果。比例尺：50 微米。(F) 和 (G) 腫瘤切片的 TUNEL 和 KI67 染色結果。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，該種磁流體對體內腫瘤的治療效果得到了驗證。通過小鼠實驗可以觀察到治療組小鼠的腫瘤體積有明顯的減小。在染色結果中治療組也展現(xiàn)出了對腫瘤組織的殺傷和抑制生長效果。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202302395