《自然·通讯》:温度自适应水凝胶纤维的光学波导，优异的软组织亲和力，可用于热调节的光学医疗器件！

2022年12月16日，东华大学朱美芳院士团队在《Nature Communications》发文，报道了一种基于温度自适应水凝胶纤维的光波导（temperature-adaptive hydrogel fiber-based optical waveguide，THFOW）。制备的THFOW显示出具有不同的波数和高度敏感的温度门控光传播效果的出色光传播特性。此外，证明了基于THFOW的热调节介入的摄影医学，能够消除深层组织的肿瘤细胞，同时降低过度过敏的风险。

据悉，介入疗法是替代深度手术的最有效临床治疗方法之一，它主要依赖于干预培养基（金属线，二氧化硅光纤等）以将设备深入到疾病位置，并且将体外设备（例如计算机断层扫描，超声，磁共振等）合并以实现诊断和治疗。尽管已经证明了二氧化硅和聚合物的光纤维这些轻型物件是可用的，但它们的刚度和较差的生物相容性可能会引起炎症或损坏宿主组织。 此外，在光学治疗期间，应以一种方式控制光诱导的效果，以避免疾病周围的正常组织损害。 为此，将设备辅助成像技术与介入的光学处理结合起来，以监测和指导治疗过程是有效的方法。但是，这种治疗是高成本，耗时且复杂的。因此，急切需要一种有效的动态和精确的原位生理微环境监测（温度，pH等）的方法，用于在深层组织下以受控的方式引导光学治疗过程。

图1. 热调节水凝胶的介入摄影医学概念。

这里提出了热调节的介入摄影医学的概念，该概念能够有效消除肿瘤细胞，从而导致肿瘤部位周围正常细胞死亡，同时降低过度过敏的风险。首先，THFOW具有显着的软组织亲和力，可以将THFOW植入人体的深层组织中，并靶向肿瘤部位而不会炎症。THFOW均匀的凝胶结构和高透明度使得可以有效地将915 nm激光从外部激光设备传输到体内疾病部位。因此，由于暴露于915 nm 近红外激光的预注入光热纳米颗粒，诱导肿瘤周围的光热加热。当肿瘤部位的温度接近THFOW的临界溶液温度时，在核心水凝胶纤维内的聚合物网络和水分子之间会发生相分离，从而导致THFOW的透明度降低。因此，可以在THFOW的较低临界溶液温度（LCST）周围调节肿瘤部位的温度。在此温度下，癌细胞将被有效地杀死，同时避免对周围正常组织的严重损害。

这种设计的温度自适应水凝胶纤维的光学波导，其THFOW具有出色的机械性能和光传播特性。此外，THFOW用于热调节的介入式光学医学，有效消除肿瘤细胞，同时降低过度过敏的风险（严重破坏肿瘤部位周围正常细胞死亡）。 此外，THFOW具有显著的软组织亲和力，良好的热敏性和出色的光传播，因此有望在智能摄影医学领域中广泛应用。相关研究成果以“Temperature-adaptive hydrogel optical waveguide with soft tissue-affinity for thermal regulated interventional photomedicine”为题，发表在《Nature Communications》上。

图2. THFOW的制备与表征

THFOW制备的主要过程主要由两个阶段组成：在第一阶段，将阿尔金酸盐溶液凝胶进入鞘水凝胶纤维时，将其注入CaCl2凝结浴中。在第二阶段，鞘水凝胶管核心单体溶液带入UV光区域，从而触发单体（NIPAM，DMAAM和PEGDA）之间双键的自由基聚合，形成了核心水凝胶聚合物网络。

图3. 通过THFOW的光传播。

为了验证THFOW的光传播特性，将激光集中在一个尖端上，并在整个纤维长度（10 cm）中测量了散射的光强度。结果表明，具有不同波长（λ= 450、515和650 nm）的激光可以通过THFOW有效地传播。此外，对散射光的光强度曲线通过THFOW的分析表明，所有直径不同的THFOW的光损失在0.17 dB cm -1至0.41 dB cm -1的范围内。THFOW的直径略微影响了光损。直径越大，光损耗越小，这是由于射线传播距离较长，然后在THFOW内的鞘/芯界面进行反射。

图4：THFOW的热敏性。

热敏性是THFOW的关键特性，它赋予了光学水凝胶纤维对环境温度的智能反应性，从而实现了深层组织中可控制的光热癌症治疗。当将其部分浸入温度为48°C的水浴中时，THFOW显示出极好的光传播。当温度升至52°C时，浸入水浴中的部分没有光传播，因为LCST导致聚合物网络与周围水分子之间的相分离。为了在光传播过程中数字化相分离的效果，将TH FOW与532 nm激光耦合，并在另一个尖端测量光强度。最初，检测到约7μW的光强度。 当将其加热的片段时，相分开引起的不透明度阻碍了通过THFOW的光传播，并且仅检测到2μW的光强度。冷却后，几乎可以完全回收光电传感。此外，这种热诱导的光切换过程显示出良好的循环性。

图5：THFOW生物兼容性。

为了植入体内，THFOW与生物体的生物相容性非常重要。图5a显示了在水中制备的THFOW的肿胀行为，以模拟活体的内部环境。结果表明，在肿胀1000分钟后，所有样品在水环境中均稳定。目前，由于其良好的稳定性和小创伤，摄影医学引起了极大的关注。 然而，由于光疗法的光渗透有限，光媒体疗法的渗透率有限，因此在深层组织中施用光学治疗可能会损害正常组织，这是一项挑战。在此，提出了一种基于温度自适应水凝胶纤维的光学波导（THFOW）的热调节介入的光学医学，能够消除深层座位的肿瘤细胞，同时降低过度过敏的风险（导致肿瘤周围健康细胞的死亡）。

图6：由THFOW应用的可控光热疗法

基于卓越的光学特性，高灵敏度和THFOW的显著的软组织亲和力，进一步探索了热调节的介入光热治疗潜力。将植入THFOW的小鼠用作实验组，将植入PMMA纤维的小鼠用作对照组，植入无需植入的小鼠被用作空白组。对用PMMA纤维植入的小鼠进行的组织学评估表明，与PMMA纤维接触，存在明显的免疫细胞浸润。而对植入THFOW的小鼠的组织学评估则并未出现主要的免疫细胞浸润，这表明THFOW和组织之间的生物相容性良好。结果表明，THFOW不仅可以在体内传播光能到固定位点，而且还可以在光热治疗过程中智能控制温度。因此，这种智能反应可以确保有效消除肿瘤细胞，同时降低过度过敏的风险，从而导致肿瘤部位周围正常细胞死亡。

封面来源：图虫创意