可穿戴型柔性透明热疗片显著抑制皮下肿瘤生长

几个世纪以来,肿瘤一直是威胁人类健康的主要疾病之一。与传统基于手术、化学疗法、放射疗法和生物疗法的肿瘤治疗方法相比,热疗具有安全、无创、温和、副作用小等特点。可穿戴型热疗技术能够在不干扰日常活动的情况下进行高质量的肿瘤治疗,极具临床应用价值和社会意义。但现有热疗设备存在几个关键缺陷,使得热疗设备在临床实践中的广泛应用受到阻碍。一方面,传统的热疗热敷装置体积较大或非柔性,使得热疗装置难以与人体皮肤紧密贴合,导致热能传递效率有限,肿瘤部位局部温度难以控制,最终造成治疗效果大打折扣。另一方面,其非透明性阻碍了医护人员对患者皮肤的实时观察、在线检测和连续跟踪,特别是对热不敏感的特殊体质和老年患者,极有可能导致皮肤灼伤。

近日,兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授领导的柔性电子科研团队联合兰州大学口腔医学院王静教授、美国休斯敦大学(现在宾夕法尼亚州立大学)余存江教授,研制了一种基于超长定向排列银纳米纤维网络的可穿戴型柔性透明热疗片。该热疗片兼具高透明度和高导电性,可完美贴合人体皮肤,在0.7 V超低电压下可将人体局部加热到42℃的热疗工作温度,并可实时监测皮肤变化,避免烫伤。透明热疗片可与其他检测设备联用以检测生理指标,例如热疗时可原位检测血氧指数等。通过建立荷瘤小鼠皮下肿瘤模型,热疗实验结果表明透明热疗片对皮下肿瘤生长具有显著抑制作用,并揭示了Notch信号诱导肿瘤细胞凋亡的生理机制。

可穿戴型柔性透明热疗片显著抑制皮下肿瘤生长
本论文入选ADVANCED FUNCTIONALMATERIALS杂志封底

研究人员以超长定向排列银纳米纤维网络为焦耳热发生器,并用多种高分子材料将其固定、封装,组装成柔性透明热疗片。热疗片可完美贴敷于人体关节部位缓解各种慢性疾病或贴敷于肿瘤部位对皮下肿瘤进行热疗。由于其高透明性,可在热疗时对局部皮肤状态进行实时观察、连续跟踪,防止皮肤灼伤。

可穿戴型柔性透明热疗片显著抑制皮下肿瘤生长
可用于人体关节、皮下肿瘤热疗的超薄、柔性、高性能透明热疗片

研究发现,与随机分布银纳米纤维网络相比,定向排列银纳米纤维网络显示出更优异的透明性、导电性和加热性能。在92%透明度下,定向排列银纳米纤维网络的方块电阻仅为1.4Ω/□,当加载1.2 V电压时,可迅速升温至56℃。通过有限元模拟和理论分析,解释了超长定向排列银纳米纤维网络的电子输运特性和加热规律,实验结果与理论模拟高度吻合。

可穿戴型柔性透明热疗片显著抑制皮下肿瘤生长
银纳米纤维网络中纤维排布方向对电加热性能的影响

得益于合理的结构设计和材料选择,柔性透明热疗片显示出了优异的稳定性。热疗片可以适应各种严苛使用条件,例如可在弯曲、揉捏、高低温甚至水下正常工作,且性能无明显变化,方便患者在不同环境中使用,例如洗澡和游泳。柔性透明热疗片从紫外到远红外的宽光学透过谱赋予了其与其他检测设备在线联用的功能,例如在加热手指时进行血氧检测,以降低因低温引起的血氧测试结果误差。

可穿戴型柔性透明热疗片显著抑制皮下肿瘤生长
透明热疗片的稳定性及其在各种严苛条件下的应用

通过荷瘤小鼠皮下肿瘤热疗实验,证明了在不影响皮肤和正常组织的情况下,42℃热疗可显著抑制肿瘤细胞增殖。对实验组和对照组的肿瘤尺寸和细胞形貌进行对比分析后发现,温度场可诱导肿瘤细胞凋亡显著抑制皮下肿瘤生长。

可穿戴型柔性透明热疗片显著抑制皮下肿瘤生长
透明热疗片对皮下肿瘤的治疗效果

为了探究热疗抑制肿瘤生长的生理机制,使用透射电子显微镜对肿瘤细胞进行观察,发现热疗组肿瘤细胞出现明显的细胞凋亡形态变化。进而又继续研究了与凋亡相关的Notch信号通路靶分子的表达。与对照组相比,热疗组的蛋白质印迹结果显示出 Notch 1、Jagged 1 和 Hes 1 蛋白的下调表达。此外,相应的免疫组织化学分析也支持这一点结论。这些结果共同证实了热疗可以通过诱导肿瘤细胞凋亡显著抑制皮下肿瘤生长,而Notch信号通路在其中起重要作用。

可穿戴型柔性透明热疗片显著抑制皮下肿瘤生长
热疗诱导肿瘤细胞凋亡的潜在生理机制

本研究展示了一种可满足关节疾病、皮下肿瘤治疗需求的可穿戴型柔性透明热疗片,它具有从紫外到远红外的宽光谱透明、快速响应、加热温度均匀、超低电压操作和可重复使用等特点。该透明热疗片可适应各种严苛环境,例如弯曲、揉捏、高低温、甚至水中,同时还可持续保形于动态弯曲表面(如人体关节),极大方便了患者的全天候使用。此项工作为关节疾病、皮下肿瘤等疾病治疗提供了一种安全、无创、温和的物理治疗方案,可应用于骨关节炎、颈椎病、慢性眼表炎症和各类浅表肿瘤。此外透明热疗片还可以与其他临床医学诊断设备联用,提升检测准确性。

参考:Wang, Q., Sheng, H., Lv, Y., Liang, J., Liu, Y., Li, N., Xie, E., Su, Q., Ershad, F., Lan, W., Wang, J., Yu, C., A Skin-Mountable Hyperthermia Patch Based on Metal Nanofiber Network with High Transparency and Low Resistivity toward Subcutaneous Tumor Treatment. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111228. https://doi.org/10.1002/adfm.202111228

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