光熱療法（PTT）是一種新興的腫瘤治療方法，具有諸多優勢。然而，在傳統的PTT中，很難精確地測定體內腫瘤部位的溫度。在PTT過程中，過高的溫度會損害周圍的健康組織，而低溫則不能完全殺死腫瘤細胞。因此，如何在原位確定光熱溫度，使腫瘤在不損傷周圍正常組織的情況下完全消除，是實現最有效光熱治療的關鍵問題之一。另外，基于納米顆粒的PTT靜脈注射療法也面臨著靶向腫瘤部位的挑戰。因此，開發具有原位測溫功能和促進創面愈合活性的光熱植入式材料對PTT技術的臨床應用具有重要意義。
具有近紅外（NIR）發光的摻雜稀土的生物材料在發光生物分析，生物標記和熒光成像方面具有獨特的優勢。最近，一些研究表明，熒光材料具有溫度敏感性，可以用作檢測生物體溫度的溫度傳感器。在鑭系元素稀土離子中，釹（Nd3+）離子具有特殊的性能。例如，在808 nm激光的激發下，Nd3+離子不僅可以產生熱能，而且還可以發射紅外熒光，這使其成為制備具有光熱和熒光測溫特性的雙功能材料的理想選擇。
先前的研究表明，鈣硅基生物活性陶瓷和復合材料在刺激細胞增殖、上調血管生成基因表達、促進組織再生和傷口愈合方面顯示出高活性。
假設將釹（Nd）摻雜到硅酸鈣（CS）系統中能否形成一種具有新功能的材料呢？
成果簡介：
鑒于此，中科院上海硅酸鹽研究所常江研究員等人設計了一種具有光熱性能、熒光溫度監測性能和組織修復活性的Nd-Ca-Si生物玻璃系統和可注射的玻璃/藻酸鹽復合水凝膠，并在腫瘤部位進行了注射并達到了最佳效果。光熱性能可實現最佳的腫瘤治療，并具有生物活性，可在PTT期間修復受熱損傷最小的組織。相關成果發表于Science Advances期刊上。
圖1. 研究設計
光熱與熒光線性相關
Nd-Ca-Si（Nd-BG）生物玻璃是通過無容器加工（CP）技術（圖1）制備的，圖2的物化表征表明，發現所獲得的Nd-BG玻璃與不摻Nd的CS-BG玻璃相比具有優異的光熱和熒光特性。在連續照射808 nm激光的情況下，Nd-BG玻璃的溫度顯著升高，其最終溫度達到112°C以上，且具有出色的光熱穩定性，另外，Nd-BG粉末在1062 nm處具有最大熒光發射強度，這與生物熱范圍內的溫度呈線性相關，這對于體內溫度監測性能的應用至關重要。
圖2. Nd-BG粉末的光熱和熒光性質
制備復合水凝膠
考慮到體內應用，研究人員進一步設計和制備了Nd-BG2 /藻酸鹽可注射復合水凝膠?？勺⑸涞乃z可以很容易地注射到腫瘤部位，從而避免了植入過程中的手術損傷。在808 nm激光輻射（1.5 W cm-2）下，復合水凝膠的溫度迅速升高，最終達到60°C，并在5分鐘內保持穩定。此外，在生物熱范圍內，Nd-BG2復合水凝膠在1062 nm處顯示出與Nd-BG2玻璃相似的線性熒光強度/溫度相關性。這些結果表明藻酸鹽（SA）聚合物組分不影響Nd-BG2玻璃的性能。
研究人員下一步繼續研究復合水凝膠的研究組織類型和厚度對其是否產生影響。研究發現，盡管不同的組織對熒光強度的影響不同，但熒光強度與通過不同動物組織的復合水凝膠溫度之間的線性關系仍然存在。
圖3. Nd-BG2復合水凝膠的體外光熱/熒光性質
53℃療效最佳！
考慮到腫瘤類型，位置和周圍組織環境的多樣性，至關重要的是確定最佳的PTT治療溫度，以獲得對正常組織造成最小熱損傷的最佳治療效果。研究發現，在48°C或更高溫度下治療時，腫瘤的生長明顯受到抑制，但是，腫瘤在第7天復發，并在第14天體積增長了52倍。相反，Gel 53°C和Gel 60°C組的腫瘤完全消失，并且在14天內沒有再出現。而且，Gel 53°C相對于Gel 60°C的損傷更少。另外，在真皮和皮下區域觀察到許多肉芽組織，這表明組織修復過程的開始，表明該生物活性復合水凝膠具有在PTT治療期間增強燒傷傷口愈合。
后面的動物實驗進一步證明了，Nd-BG2 / SA復合水凝膠不僅具有光熱和溫度測量功能，而且還具有再生生物活性以增強燒傷愈合。還表明，在小鼠皮下腫瘤模型中，53°C是PTT治療的最佳治療溫度，具有最佳的腫瘤消融和最小的組織燒傷損傷。
圖4. 水凝膠在體內不同溫度下的光熱抗腫瘤作用
值得注意的是，由于不同的腫瘤/周圍組織環境，針對不同動物類型和部位的不同腫瘤類型和位置的最佳PTT溫度可能會有所不同，因此需要進一步的研究以鑒定特定的治療溫度。
小結：
綜上所述，本文使用CP技術將Nd-Ca-Si生物玻璃和生物陶瓷合成為具有光熱、熒光測溫和生物活性功能的新型多功能生物材料。由于熒光強度與溫度之間呈線性相關關系，因此該材料可用于在腫瘤部位進行原位溫度測量的PTT。對于體內消融應用，制備了具有相同功能的可注射/可植入Nd-BG玻璃/藻酸鹽復合水凝膠。通過水凝膠的溫度測量功能，確定了小鼠模型的最佳PTT溫度在53°C，在該溫度下，腫瘤被完全消除，而周圍的正常組織僅受到了最小程度的燒傷。此外，由于復合水凝膠的再生生物活性，在PTT期間誘導了輕微受損組織的再生。研究結果表明，這種多功能生物材料不僅可以作為具有溫度監測和組織修復功能的植入式醫療器械在PTT腫瘤治療中具有潛在的應用價值，而且可以作為溫度監測材料用于其他類型的熱療法的原位溫度測量。
個人簡介：
常江，博士、研究員、博士生導師，國際生物材料學會聯合會終身榮譽會士(Fellow),英國皇家化學會會士(Fellow),美國醫學與生物工程院會士(Fellow)，國際可注射骨和關節生物材料學會副主席，中國生物材料學會常務理事。全國外科植入物和矯形器械標準化技術委員會組織工程醫療器械產品分技委委員。國際學術期刊“材料化學B” (Journal of Materials Chemistry B)副主編，“生物材料與組織工程” (Journal of Biomaterials andTissue Engineering)亞洲區主編，“生物材料”(Biomaterials), “生物醫用材料與工程” (Bio-medical Materials andEngineering)編委。1991年德國達姆施達特技術大學獲博士學位，1991年至1999年先后在德國盧卑克醫科大學博士后，新西蘭奧克蘭大學研究員，美國紐約大學受研究助理教授，美國強生公司損傷修復技術中心研究員。2000年12月至今中國科學院上海硅酸鹽所研究員。
研究領域：生物材料，包括醫用植入材料和組織工程材料，骨科植入材料，創傷敷料（針對難愈合創面如糖尿病潰瘍的生物活性創傷修復材料），納米生物材料，藥物緩釋材料，生物材料與細胞的相互作用。
主持和完成20多項國家和省部級科研項目，包括國家“973”，“863”項目，科技部重點研發計劃項目，國家自然基金委重大、重點項目，上海市重大項目，中科院先導專項，中科院重要方向性項目，國家自然基金委、中科院、上海市國際合作項目等。在國際學術期刊發表學術文論400余篇，英文專著章節11篇，主編英文專著2部，申請國家發明專利84項，國際PCT專利3項，其中46項已經獲得授權。曾獲第四屆中國僑界貢獻獎（創新人才），第六屆中國僑界貢獻獎（創新團隊）。2019年度獲得中國生物材料學會科學技術獎一等獎。
