在注射金纳米颗粒后，对人类皮肤组织进行激光照射以实现热消融过程——一种结合实验和数值计算的方法

《Scientific Reports》：Laser irradiation of human skin tissue after gold nanoparticles injection for thermal ablation processes – a combined experimental and numerical approach

光热疗法利用金纳米颗粒在近红外激光照射下选择性产热，本研究通过实验和数值模拟优化了治疗参数。实验发现808 nm和980 nm激光波长在AuNR6纳米棒辅助下能有效升高皮肤温度，且数值模型验证了其温度分布规律。研究强调了纳米颗粒形貌与表面修饰对光热效应的影响，为深层肿瘤治疗提供了理论依据。

　　### 金纳米颗粒在皮肤癌治疗中的应用潜力与研究进展

近年来，癌症治疗领域的研究不断探索新的或组合的治疗手段，以期提高治疗效果并减少对健康组织的损伤。在这些新兴疗法中，光热疗法（Photothermal Therapy, PTT）因其能够选择性地破坏癌细胞而受到广泛关注。光热疗法的核心在于利用特定材料将光能转化为热能，从而实现对病变部位的精准治疗。其中，金纳米颗粒（Gold Nanoparticles, AuNPs）因其独特的光学特性，特别是局部表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR），被广泛应用于这一领域。LSPR现象使得金纳米颗粒能够在特定波长的光照射下吸收大量能量，并通过非辐射方式释放为热能，从而实现对癌细胞的高效热破坏。这种特性使得金纳米颗粒成为光热治疗中极具潜力的光热转换器。

本研究的目的是通过实验与理论模型相结合的方式，探讨金纳米颗粒在皮肤癌治疗中的应用。首先，通过实验分析不同形状、尺寸和表面修饰的金纳米颗粒在不同激光波长下的光热响应，随后利用计算流体动力学（CFD）模型进行数值模拟，以验证实验结果并优化治疗参数。研究结果表明，808 nm和980 nm波长的激光在光热治疗中表现最佳，尤其是在使用聚乙二醇（PEG）稳定化的金纳米棒（AuNR6）时，其光热效应尤为显著。这些发现不仅为皮肤癌的非侵入式治疗提供了新的思路，也为进一步开发精准的治疗方案奠定了基础。

### 皮肤的结构与光热治疗的适用性

人体皮肤主要由三层组成：表皮、真皮和皮下组织。表皮是最外层，主要由角质形成细胞构成，同时含有产生黑色素的黑色素细胞；真皮则由成纤维细胞构成，内含血管、毛囊、汗腺和神经等结构；皮下组织则包含脂肪细胞、胶原蛋白和蛋白聚糖等成分。这三层结构决定了光在皮肤中的传播路径以及光热效应的分布。由于皮肤具有复杂的结构和多种成分，光在穿透过程中会受到吸收和散射的影响。不同波长的光在皮肤中的穿透深度和吸收效率不同，其中近红外（NIR）区域由于生物组织的低吸收特性，成为光热治疗的理想波段。

近红外光谱分为两个透明窗口：第一窗口为650–850 nm，第二窗口为950–1350 nm。在第二窗口中，光的穿透能力更强，同时对健康组织的热损伤较小，因此更适合用于治疗深层组织中的肿瘤。而第一窗口则适用于浅层肿瘤的治疗。金纳米颗粒由于其可调的LSPR特性，可以在不同波长的激光照射下产生不同的热效应，这使得它们成为实现精准光热治疗的关键材料。

### 金纳米颗粒的特性与应用前景

金纳米颗粒之所以在光热治疗中表现出色，是因为它们具有优异的光学响应能力和良好的生物相容性。金纳米颗粒的LSPR特性可以通过调整其尺寸和形状进行调控，使其在特定波长下产生强烈的光吸收效应，进而转化为热能。这种能力使得金纳米颗粒能够被设计成在特定波长下产生最大热效应的纳米材料。此外，金纳米颗粒可以通过表面修饰实现对癌细胞的靶向性，使其在体内更容易聚集于肿瘤组织，而非健康组织，从而提高治疗的针对性。

金纳米颗粒在生物体内表现出良好的稳定性，尤其是在使用PEG作为稳定剂时，其分散性得到显著提升。这种特性使得金纳米颗粒在体内具有较长的保留时间，从而增强光热效应的持续性。此外，金纳米颗粒在光热治疗中还表现出较低的毒性，使其成为一种安全的治疗材料。研究表明，金纳米颗粒在体内能够与抗体结合，从而被靶向递送到肿瘤部位，进一步增强其治疗效果。

### 实验设计与方法

本研究的实验部分包括两个主要阶段。第一阶段是使用不同波长的激光对健康皮肤样本进行照射，以评估其对皮肤细胞的热效应。第二阶段则是将金纳米颗粒注入皮肤样本中，并在特定波长下进行激光照射，以观察纳米颗粒对肿瘤组织的热破坏能力。实验中使用了五种不同波长的激光：465 nm、532 nm、640 nm、808 nm和980 nm。激光的功率密度和照射时间被严格控制，以确保实验结果的可重复性和可靠性。

在实验中，皮肤样本被放置在含有磷酸盐缓冲液（PBS）的石英玻璃比色皿中，并通过热成像相机和激光功率计实时监测温度变化和光吸收情况。实验结果显示，激光在皮肤中的吸收率较低，这可能是由于皮肤本身的光学特性所致。然而，当金纳米颗粒被注入皮肤后，激光能量能够被更有效地转化为热能，从而实现对肿瘤组织的靶向破坏。

### 理论模型与数值模拟

为了进一步验证实验结果，本研究采用计算流体动力学（CFD）模型进行数值模拟。该模型基于质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，模拟了激光在皮肤中的传播路径以及金纳米颗粒在不同层中的热效应。模型考虑了皮肤各层的吸收和散射系数，以及激光的穿透路径和强度分布。通过调整这些参数，研究人员能够更精确地预测温度变化和热效应的分布。

实验结果显示，808 nm和980 nm波长的激光在光热治疗中表现最佳。其中，980 nm波长的激光在5分钟的照射下，能够产生更高的温度上升，而808 nm波长的激光则在1.5分钟内表现出较强的热效应。此外，研究还发现，金纳米棒（AuNR6）在这些波长下表现出更优异的光热响应，这可能是由于其尺寸和形状的优化使得LSPR与激光波长匹配度更高。

为了提高模型的准确性，研究人员对实验数据进行了多次校准，并引入了更复杂的模型参数。例如，模型中考虑了激光在皮肤中的反射和散射效应，以及不同层之间的热传导和能量分布。通过这些调整，模型能够更真实地反映皮肤中的光热过程，为后续的治疗优化提供理论支持。

### 实验结果与分析

实验结果显示，808 nm和980 nm波长的激光在光热治疗中表现出较高的效率。在这些波长下，金纳米颗粒能够有效吸收激光能量，并将其转化为热能，从而实现对肿瘤组织的破坏。相比之下，其他波长（如465 nm和532 nm）则表现出较强的对表皮的破坏性，这可能是由于这些波长的光在皮肤中的吸收率较高，导致对健康组织的热损伤增加。

此外，研究还发现，金纳米颗粒的尺寸和形状对其光热响应具有显著影响。例如，直径为5 nm的金纳米球（AuNSp5）在808 nm激光照射下表现出较高的热效应，而PEG修饰的金纳米棒（AuNR6）在980 nm激光照射下则表现出更优异的光热响应。这些结果表明，通过调整纳米颗粒的尺寸和形状，可以进一步优化光热治疗的效果。

然而，实验也发现了一些不一致的结果。例如，在某些情况下，纳米颗粒注入后的温度上升低于对照组。这可能是由于皮肤样本的生物特性不同，或者纳米颗粒在体内发生了聚集，从而改变了其光学响应。为了提高实验的可重复性和可靠性，未来的研究需要进一步优化纳米颗粒的稳定性和分散性，并减少样本间的个体差异。

### 金纳米颗粒在光热治疗中的潜在应用

金纳米颗粒在光热治疗中的应用潜力巨大，尤其是在皮肤癌的治疗方面。由于其良好的生物相容性和可调的光学特性，金纳米颗粒能够被设计成在特定波长下产生最大的热效应，从而实现对癌细胞的高效破坏。此外，金纳米颗粒的靶向性使其能够被递送到肿瘤部位，减少对健康组织的损伤。

本研究的结果表明，808 nm和980 nm波长的激光在光热治疗中表现最佳，尤其是在使用PEG修饰的金纳米棒时。这些结果为未来的临床应用提供了重要依据，同时也为进一步开发光热治疗技术奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同纳米颗粒的尺寸、形状和表面修饰对其光热响应的影响，并优化激光参数以实现更高效的治疗效果。

### 结论与展望

综上所述，金纳米颗粒在光热治疗中的应用具有广阔的前景。通过实验与理论模型的结合，研究人员能够更全面地理解纳米颗粒在皮肤中的光热响应，并优化治疗参数以实现最佳效果。然而，当前的研究仍存在一些局限性，例如皮肤样本的个体差异、纳米颗粒的聚集效应以及模型的简化假设。未来的研究需要进一步解决这些问题，以提高实验的可重复性和模型的准确性。

展望未来，光热治疗技术有望成为一种非侵入式的癌症治疗手段，特别是在皮肤癌的治疗中。通过进一步优化纳米颗粒的尺寸、形状和表面修饰，以及改进激光参数和治疗方案，光热治疗有望实现更高的治疗效率和更低的副作用。此外，未来的研究还可以探索将光热治疗与其他治疗手段（如化疗和放疗）结合，以提高整体治疗效果。总之，金纳米颗粒在光热治疗中的应用前景广阔，值得进一步深入研究。