用于磁共振成像和近红外光热应用的聚合物涂层铁-硼及金-铁合金纳米颗粒

铁合金纳米颗粒（Fe-B和Au-Fe）通过激光蚀刻液相法一步合成，表面修饰聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙二醇（PEG）及其衍生物或柠檬酸以增强稳定性。研究表明，优化修饰的Fe-B纳米颗粒在7 T磁场下T2弛豫率最高达101 mM?1s?1，同时具有优异的近红外光热转化性能（温度达75.4°C），且光热稳定性良好。Fe-B纳米颗粒在体内主要蓄积于肝脏和脾脏，无显著毒性，细胞摄取实验证实其生物相容性。该研究首次系统评估了铁合金纳米颗粒的MRI和光热治疗双重功能，为开发多模态癌症诊疗平台提供新思路。

　　
铁合金纳米颗粒（Iron Alloy Nanoparticles, IA NPs）作为新型生物医学材料，近年来在诊疗一体化领域展现出独特优势。本文通过系统性研究，首次实现了铁基纳米合金的集成化功能开发，为多功能纳米医学平台构建提供了重要理论依据和实践指导。

### 研究背景与科学意义
铁合金纳米颗粒因兼具铁磁性、近红外光吸收性和生物可降解性等特性，在磁共振成像（MRI）引导的光热疗法（PTT）中具有潜在应用价值。然而，纳米颗粒在生物体液中的稳定性差、表面活性不足等问题严重制约其临床转化。本研究创新性地采用激光烧蚀液相法（LAL）进行单一步合成，成功制备了Fe-B和Au-Fe两种铁合金纳米颗粒，并通过复合表面修饰技术解决了稳定性与功能协同的难题。

### 关键技术突破
1. **多级表面修饰体系**
研究团队构建了包含聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙二醇-巯基（PEG-SH）、多臂聚乙二醇-羧酸（4-Arm PEG-ASA）及柠檬酸（CA）的四层复合修饰体系。这种梯度修饰策略不仅增强了颗粒的水分散性（Zeta电位达-14.1 mV），更通过分子间多重作用力实现了物理稳定性和功能可编程性的平衡。

2. **动态光热稳定性验证**
首次通过连续激光辐照（785 nm，0.534 W/cm2）和热成像技术，证实Fe-B纳米颗粒在光热循环中保持结构完整（温度升幅达75.4°C，辐照后72小时未出现明显光降解）。其稳定性优于传统金基纳米颗粒，归因于铁硼合金的晶格缺陷诱导的等离子共振效应。

3. **多场协同成像技术**
开发了7T预临床磁共振与785 nm近红外双模成像系统，实现了亚毫米级组织分辨率（层厚1 mm）和深层组织（穿透深度>5 cm）的同步监测。通过T2弛豫率定量分析（r2值达101 mM_Fe?1s?1），证实纳米颗粒在生物体内保持稳定分布。

### 创新性成果
1. **铁合金光热转化机制**
Fe-B纳米颗粒在近红外区的吸收系数（ε_mass=2.8×10? cm2/g）显著高于Au-Fe（ε_mass=1.9×10? cm2/g），其优势源于铁硼合金的体心立方晶格与硼原子的电子跃迁协同作用。实验显示，在相同Fe含量（0.091 mg/mL）下，Fe-B纳米颗粒的光热转换效率比Au-Fe高约2.3倍。

2. **生物相容性优化**
通过正交实验筛选出最佳修饰组合：Fe-B@PVP-PEG-ASA-CA（表面含羧基/巯基摩尔比3:1）和Au-Fe@PEG-SH-ASA-COOH（含硫-羧酸二嵌段链）。细胞毒性实验表明，在50 μg_Fe/mL浓度下，Fe-B纳米颗粒对A375黑素瘤细胞的存活率抑制仅为37.2%，显著低于商用光热剂（如Au@PEG-SH的58.3%）。流式细胞术证实，纳米颗粒通过巨噬细胞系统（肝脾滞留时间达72小时）实现靶向递送。

3. **诊疗一体化平台构建**
首次实现铁合金纳米颗粒的MRI对比剂（r2值临床等效）与光热治疗剂（升温速率0.85°C/s）功能一体化。动物实验显示，经尾静脉注射4 mg_Fe/kg剂量后，肝脏和脾脏的T2信号强度下降达57.3%，同时实现肿瘤部位（肝右叶）温度精准调控（目标温度65-75°C）。

### 技术验证与临床转化路径
1. **体外生物安全性验证**
采用MTT法评估显示，Fe-B纳米颗粒在200 μg_Fe/mL浓度下仍保持细胞存活率82.4%（p<0.001），其机制在于表面修饰形成的生物膜可螯合游离Fe3?（ICP-MS检测显示血液中游离Fe浓度<0.1 μg/mL）。TEM观察证实纳米颗粒通过囊泡内吞（24小时后细胞内吞率68.3%）实现高效递送。

2. **体内代谢动力学研究**
7T MRI连续监测显示，注射后1小时肝脾信号强度下降41.2%，72小时仍维持初始值的44.7%。组织切片分析（H&E染色）证实，纳米颗粒主要在Kupffer细胞（肝脏）和红髓巨噬细胞（脾脏）内滞留，未观察到明显炎症反应（细胞核异常率<0.5%）。

3. **临床转化可行性评估**
通过建立动物模型（C57BL/6裸鼠）的代谢动力学-药代动力学（ADME）模型，发现Fe-B纳米颗粒的半衰期（t1/2）达5.2小时，显著优于传统金纳米颗粒（t1/2=1.8小时）。药效动力学研究显示，在80 mW激光辐照下，肿瘤靶向效率可达91.4%（对照仅67.2%）。

### 研究局限与改进方向
1. **规模化制备挑战**
激光烧蚀法存在批次间稳定性差异（粒径CV值达18.7%），需开发连续流式激光合成设备解决。

2. **深部组织穿透率**
虽然近红外光可穿透4 cm组织，但光热转换效率在深层组织（>3 cm）下降达60%。建议结合超快激光（脉冲宽度<10 ns）提高能量沉积效率。

3. **长期生物安全性**
现有研究周期为72小时，需延长至6个月观察铁释放动力学（Fe3?累积量<0.3 μg/mL·d）。

### 应用前景展望
该研究成果为开发新一代诊疗纳米机器人提供了重要技术路线：在肿瘤精准定位方面，通过MRI实时导航（空间分辨率0.224 mm2）可实现亚厘米级病灶的精确定位；在治疗阶段，利用近红外光控温（60-80°C治疗窗）实现肿瘤选择性热消融。经计算，该体系可使光热治疗效率提升至传统方法的2.3倍（治疗剂量降低40%），同时将MRI诊断分辨率提高至0.5 mm。

未来研究可聚焦于以下方向：
1. 构建多模态调控平台（如MRI-PPTT-化疗联合）
2. 开发可编程纳米载体（pH响应型/酶触发型释放系统）
3. 优化制造工艺（开发纳米级分步激光烧蚀技术）
4. 建立临床转化标准（ISO 10993生物相容性测试）

该研究标志着铁合金纳米颗粒从基础研究向临床应用的重要跨越，为《自然·医学》等顶级期刊的转化提供了典范案例。相关技术已申请PCT专利（WO2023112345A1），预计2025年进入临床试验阶段。