貴金屬納米顆粒特性特別,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值,如光熱治療(PTT)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)抗癌治療,相較于化療等對(duì)健康細(xì)胞損害較小。然而,PTT存在諸多問題,如毛細(xì)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(yīng)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(zhuǎn)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(shù)相比較,例如立體光刻(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積建模(FDM)等,水凝膠所需的3D打印技術(shù),旨在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效率構(gòu)建、時(shí)間有效利用以及超高打印精度,從而尋求在多個(gè)維度上的最佳平衡。來自馬克斯-普朗克研究所、薩班哲大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì),最終選擇采用摩方精密面投影微立體(PμSL)光刻3D打印技術(shù),結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,實(shí)現(xiàn)了kirigami結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)打印。
相關(guān)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(duì)五種不同配方的LIHAM水凝膠進(jìn)行了系統(tǒng)的形態(tài)、物理及熱學(xué)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(jìn)一步深入探討了不同添加劑材料對(duì)水凝膠性能的促進(jìn)作用。此外,通過對(duì)比實(shí)驗(yàn),該研究詳細(xì)考察了水凝膠的可打印性、最佳曝光時(shí)間以及適宜的光強(qiáng)度,以確立理想的LIHAM水凝膠制備標(biāo)準(zhǔn)。
圖1. (a) 展示了制備LIHAM水凝膠的溶液合成步驟及所需化學(xué)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(jìn)行結(jié)合并包覆的實(shí)驗(yàn)步驟。圖2. 摩方精密 microArch® S240(精度:10 μm)生物打印機(jī)制備kirigami結(jié)構(gòu)的詳細(xì)步驟,以及制備LIHAM水凝膠的具體流程。圖3. 根據(jù)不同打印時(shí)間和強(qiáng)度參數(shù),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(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及生物分析。圖6. 五種水凝膠在500至4000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)五種不同配方的水凝膠進(jìn)行了差示掃描量熱法(DSC)分析,以觀察相變、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)值和反應(yīng)。同時(shí),對(duì)這五種水凝膠進(jìn)行了熱療分析,以檢驗(yàn)熱療效果,這是研究的重要目標(biāo)之一,并證明開發(fā)的水凝膠是具有光熱響應(yīng)的。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(qiáng)了NIPAM與PEG間的物理鍵,限制了分子運(yùn)動(dòng)。AuNPs與AuNPs@RB間的化學(xué)鍵較強(qiáng),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(xué)鍵,導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)了化學(xué)鍵,分子運(yùn)動(dòng)需更多能量,Tg值達(dá)42.34°C。
LIHAM水凝膠未顯示熔點(diǎn),呈無定形結(jié)構(gòu)。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(jié)晶聚合物結(jié)構(gòu),結(jié)晶溫度43-45°C,熔點(diǎn)46.14°C,熔化需0.23040 J/g焓。水凝膠由無定形轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢Y(jié)晶,化學(xué)和物理鍵的變化解釋了機(jī)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(jié)果證實(shí)其為半結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
圖7. 不同水凝膠的DSC分析及這些水凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)值。
隨后,研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)這五種水凝膠在未啟動(dòng)加熱裝置的前提下,進(jìn)行了565 nm黃色激光的照射處理,并對(duì)其形狀變化進(jìn)行了細(xì)致的分析。圖8展示了LIHAM系列水凝膠在實(shí)驗(yàn)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(duì)不同水凝膠進(jìn)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(jīng)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(lán)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(jié):本研究組成功研發(fā)的LIHAM@Au@PDA@RB水凝膠在熱療領(lǐng)域表現(xiàn)出了優(yōu)異的應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路,同時(shí)也展示了其作為癌變區(qū)域皮膚貼片的巨大應(yīng)用前景。該水凝膠在機(jī)械性能、熱學(xué)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(jià)值。