磁-等离子体纳米复合物在肿瘤热疗中的热损伤综合建模研究

为解决肿瘤热疗中如何最大限度杀伤肿瘤细胞同时最小化对正常组织的损伤这一关键问题，研究人员开展了基于Fe3O4/Au核壳纳米复合物（NC）的光热疗法（PTT）和磁热疗法（MHTT）的二维建模研究。通过米氏理论、麦克斯韦-加尼特有效介质理论和热涨落模型计算能量转换，结合Pennes生物热方程和Arrhenius损伤模型，确定了1064 nm激光波长、1W/cm2强度和300 kHz磁场频率为最优参数组合，为精准肿瘤治疗提供了理论依据。

　　

癌症治疗一直是现代医学面临的重大挑战。尽管化疗和放疗等传统方法被广泛应用，但其带来的脱发、神经毒性和全身副作用等问题严重限制了临床效果。近年来，基于纳米材料的磁热疗法（MHTT）和光热疗法（PTT）因其精准靶向性和微创特性崭露头角，但如何平衡治疗效果与正常组织保护仍是未解难题。尤其对于深层肿瘤，近红外光（NIR）穿透深度不足，而单纯磁热疗又存在热分布不均的缺陷。

来自伊朗伊斯兰阿扎德大学Najafabad分校物理系的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究，创新性地提出采用Fe₃O₄/Au核壳纳米复合物（NC）作为多功能治疗剂，通过二维建模系统比较了PTT和MHTT在肝肿瘤治疗中的热损伤效应。这项研究首次将米氏理论（Mie theory）与麦克斯韦-加尼特有效介质理论（MG EMT）结合用于计算光热转换，同时引入热涨落模型分析磁热效应，最终通过Pennes生物热方程和Arrhenius损伤模型量化了不同参数下的组织损伤程度。

研究主要采用四大关键技术：1）基于米氏理论和MG EMT的纳米复合物光学特性模拟；2）热涨落模型计算磁热效应；3）Pennes生物热方程的有限元求解；4）Arrhenius损伤模型评估细胞存活率。研究对象为直径5mm的球形无血管肿瘤模型，包含坏死区、静止区和增殖区三层结构，周围环绕正常肝组织。

光学模拟结果

通过调节核壳比（γ=t_shell/R_core），发现当γ=0.1-0.2时，局部表面等离子体共振（LSPR）峰分别位于800nm（NIR-I窗口）和1000nm（NIR-II窗口）。

c=10 nm, f=300 kHz:(a) γ=0.1 and(b) γ=0.2'>显示NIR-I窗口的光热转换效率显著高于NIR-II，但伴随更强的正常组织热损伤风险。

温度分布特征

在φ=0.003的纳米流体浓度下，PTT（1064nm）和MHTT（300kHz）均能使肿瘤中心升温至60-80°C。

0=1 W/cm²),(b)PTT(λ=808 nm,φ=0.001,I₀=1W/cm²) and(c)MHTT(f=300 kHz,φ=0.003)'>显示NIR-I窗口（808nm）仅需1/3纳米粒子浓度即可达到相近升温效果，但正常组织损伤范围扩大3倍。

损伤优化分析

通过生存函数s(x,y)量化显示：

0=1W/cm² when (a)λ=1064 nm,φ=0.001,(b)λ=1064 nm,φ=0.002'>证明1064nm激光在φ=0.002、I₀=1.5W/cm²时可完全消融肿瘤且正常组织损伤<10%，而300kHz磁场在相同φ值下可实现等效治疗但需严格控制频率在300-400kHz窗口。

该研究通过多物理场耦合建模，首次建立了磁-光热协同治疗的参数优化体系。其核心价值在于：1）证实NIR-II窗口（1064nm）更适合深层肿瘤治疗；2）明确磁热疗法的频率-浓度协同效应；3）提出Fe₃O₄/Au核壳结构可兼顾两种疗法优势。这些发现为开发新型多功能纳米诊疗剂提供了重要理论支撑，尤其对肝癌等实体瘤的精准热疗具有临床转化意义。未来研究可进一步探索核壳比与生物相容性的关系，以及体内靶向递送方案的优化。