使用DLP光固化3D打印技术制备金纳米花包覆的光敏感元结构用于癌症热疗
贵金属纳米颗粒特性独特，在生物医学领域极具应用价值，如光热治疗（PTT）技术，可实现微创抗癌治疗，相较于化疗等对健康细胞损害较小。然而，PTT存在诸多问题，如毛细血管渗漏综合征、皮肤症状及深层治疗无效等，限制了其的广泛应用，若采用过渡金属氧化物纳米颗粒则有望改善光疗缺陷。金纳米颗粒（AuNPs）因其稳定性、生物相容性、高效光热转换及局部等离子体共振（LPR）特性，在热疗研究中备受青睐。
在与其他传统3D打印技术相比较，例如立体光刻（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积建模（FDM）等，水凝胶所需的3D打印技术，旨在实现复杂结构的高效率构建、成本最优化、时间有效利用以及超高打印精度，从而寻求在多个维度上的最佳平衡。来自马克斯-普朗克研究所、萨班哲大学的研究团队，最终选择采用摩方精密面投影微立体（PμSL）光刻3D打印技术，结合计算机辅助设计软件，实现了kirigami结构的精准打印。
相关研究成果以“Fabrication of Gold Nanoflower-Coated Photosensitive Meta Structures Using PμSL 3D Printing for Hyperthermia Applications”为题发表在国际期刊《ACS Applied Polymer Materials》上。
该研究对五种不同配方的LIHAM水凝胶进行了系统的形态、物理及热学特性比较分析。这些水凝胶的制备原料包括西兰花提取物、聚多巴胺（PDA）、玫瑰红（RB）、N-异丙基丙烯酰胺-聚乙二醇（NIPAM-PEG）的共聚物以及金纳米花。随后，本研究进一步深入探讨了不同添加剂材料对水凝胶性能的促进作用。此外，通过对比实验，该研究详细考察了水凝胶的可打印性、最佳曝光时间以及适宜的光强度，以确立理想的LIHAM水凝胶制备标准。
图1. (a) 展示了制备LIHAM水凝胶的溶液合成步骤及所需化学试剂，包括HEMA、PEG、PEGDA和TPO-L；(b) 描述了在先前研究中，如何将玫瑰红（RB）与由西兰花提取物和PDA合成的AuNPs进行结合并包覆的实验步骤。
图2. 摩方精密 microArch® S240（精度：10 μm）生物打印机制备kirigami结构的详细步骤，以及制备LIHAM水凝胶的具体流程。
图3. 根据不同打印时间和强度参数，制备了LIHAM kirigami水凝胶。
图4. 以西兰花提取物为原料成功制备的AuNPs，以及其四类混合物。
图5. AuNPs的形态学、光学、热学及生物分析。
图6. 五种水凝胶在500至4000 cm-1波数范围内的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。
研究团队对五种不同配方的水凝胶进行了差示扫描量热法（DSC）分析，以观察相变、玻璃化转变温度（Tg）值和反应。同时，对这五种水凝胶进行了热疗分析，以检验热疗效果，这是研究的重要目标之一，并证明开发的水凝胶是具有光热响应的。
实验数据表明，LIHAM水凝胶的Tg值为36.15°C，而LIHAM@AuNPs水凝胶的Tg值提升至37.16°C，表明AuNPs的加入增强了NIPAM与PEG间的物理键，限制了分子运动。AuNPs与AuNPs@RB间的化学键较强，RB的加入仅轻微降低了Tg值。FTIR分析显示，LIHAM@AuNPs与LIHAM@AuNPs@RB间的峰值差异显著，RB的加入猝灭了AuNPs的部分化学键，导致Tg值下降。
LIHAM@AuNPs@PDA水凝胶的Tg值增至40.93°C，反映出AuNPs@PDA间强键的作用，增加了水凝胶的活化能。LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝胶需最高能量，共轭AuNPs@PDA@RB增强了化学键，分子运动需更多能量，Tg值达42.34°C。
LIHAM水凝胶未显示熔点，呈无定形结构。但随着添加剂增加，尤其是LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝胶，DSC分析显示半结晶聚合物结构，结晶温度43-45°C，熔点46.14°C，熔化需0.23040 J/g焓。水凝胶由无定形转变为半结晶，化学和物理键的变化解释了机械性能的提升和Tg值的增加。LIHAM水凝胶的完全透明性表明其为无定形聚合物，而LIHAM@AuNPs@PDA@RB水凝胶的半透明性及DSC分析结果证实其为半结晶结构。
图7. 不同水凝胶的DSC分析及这些水凝胶的玻璃化转变温度（Tg）值。
随后，研究团队针对这五种水凝胶在未启动加热装置的前提下，进行了565 nm黄色激光的照射处理，并对其形状变化进行了细致的分析。图8展示了LIHAM系列水凝胶在实验过程中的形态演变，依次展示了水凝胶打印完成后的原始状态、在565 nm黄色激光照射20分钟后的变化状态，以及在加热器加热20分钟后的最终形态。
图8. (a) 在565nm（黄色激光）光源下，对不同水凝胶进行热疗分析，这是AuNPs、RB和PDA提高温度的最佳光源，展示了水凝胶在初始状态、经过565nm激光照射20分钟后以及随后加热器加热20分钟后的厘米尺度长度变化。(b) AuNPs、RB和PDA光敏剂在三种不同可见光源（470nm（蓝色），565nm（黄绿色）和625nm（红色））下照射20分钟后的温度变化。(c) 不同水凝胶在初始状态、565nm激光照射和加热器加热后的长度变化。
总结：本研究组成功研发的LIHAM@Au@PDA@RB水凝胶在热疗领域表现出了卓越的应用潜力，它有可能在癌症治疗过程中替代被切除的组织，发挥重要作用。本研究的成果不仅为水凝胶在光热治疗领域的应用提供了新的思路，同时也展示了其作为癌变区域皮肤贴片的巨大应用前景。该水凝胶在机械性能、热学性能以及形态稳定性等方面的优异表现，充分证明了其作为一种具有广阔发展空间的高性能材料的价值。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsapm.4c01951
