用于体内MRI的高灵敏度生物相容性水凝胶T1温度计开发及其机制研究

本刊推荐：为解决体内无创精准测温难题，研究人员开发了一种基于Fmoc-K2/Gd-1水凝胶的MRI温度传感系统。该器件通过温度驱动的弛豫率变化（Δr1/°C达0.54 s?1/°C）实现高灵敏度测温，在体外/体内实验中均展示出优异性能，为热疗监测提供了新型可注射式响应材料。

　　

在生物医学成像领域，精准无创的体内温度测绘始终是亟待突破的关键技术瓶颈。传统基于水质子共振频率（PRF）偏移的MRI测温方法虽广泛应用，但存在脂肪组织敏感性低、仅能测量相对温度变化等局限。虽然钆兰类螯合物等顺磁性探针能放大温度效应，但难以精确测定体内局部浓度，且现有测温系统的灵敏度仍无法满足临床转化需求。

在此背景下，都灵大学分子生物技术与健康科学系的研究团队在《Materials Today Chemistry》发表创新性研究，通过将三苯基Gd-DTPA衍生物（Gd-1）整合到自组装肽水凝胶（Fmoc-K₂）中，成功构建了一种具有纳米结构的生物相容性温度传感系统。该器件展现出弛豫率（r₁）与温度间的强正相关性，在1T场强下灵敏度高达0.54 s^?1/°C，为MRI测温技术提供了全新解决方案。

研究采用多学科交叉技术方法：通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDX）表征材料形貌与元素分布；采用流变学测试评估水凝胶机械性能；利用核磁弛豫测量（40 MHz）和场循环弛豫仪（NMRD）分析温度依赖性弛豫特性；结合¹⁷O-NMR研究水分子动力学；通过体外血清稳定性实验和体内小鼠模型验证生物相容性与测温准确性。

2.1. 热敏器件的设计与构建

研究人员设计了一种由Fmoc-K₂肽和Gd-1复合物组成的水凝胶系统。通过静电相互作用将带负电的Gd-1复合物与带正电的肽链结合，形成稳定的三维网络结构。与传统的PBS触发凝胶化方法不同，该研究创新性地利用Gd-1本身的负电荷作为凝胶形成触发器，避免了额外添加物的干扰。

2.2. Gd-1负载水凝胶的表征

扫描电镜显示负载Gd-1的水凝胶保持与空白水凝胶相似的纤维状互连网络结构，表明钆复合物的加入未破坏肽基质的基本架构。能谱分析证实钆元素均匀分布在水凝胶网络中，且通过ChemiSEM技术实时检测到钆的特征信号。

2.3. 弛豫率对温度的响应特性

在40 MHz（1T）场强下，Gd-1水溶液表现出随温度升高而降低的传统弛豫行为（从25°C的7.75 mM^?1s^?1降至45°C的4.98 mM^?1s^?1）。相反，在水凝胶体系中，弛豫率随温度升高而显著增加，且这种效应在低Gd-1浓度（0.01% wt）时最为明显，Δr₁/°C达到0.54 s^?1/°C。

2.4. 弛豫机制深入解析

通过¹⁷O-NMR研究发现，水凝胶中水分子与钆离子中心的交换动力学呈现分布特征。Swift-Connick方程分析显示，Gd-1在水凝胶中的水分子停留时间（τ_M）从25°C的310 ps缩短至45°C的161 ps。NMRD曲线拟合进一步证实，内球水交换速率的加快是弛豫率温度依赖性增强的主要因素。

2.5. 流变学研究

流变学测试表明，在0.01-0.32% wt的Gd-1浓度范围内，水凝胶均保持典型的凝胶态特征（G′ > G″）。温度循环实验（25-45°C）显示tanδ值稳定在0.16左右，证明体系机械性能在温度变化下保持稳定，为体内应用提供了可靠性保障。

2.6. 肽/Gd-1水凝胶的稳定性

重复性测试表明，水凝胶的弛豫响应在温度循环中具有高度可重复性。体外稳定性实验显示，在水和血清中孵育6天后，接触液的R₁值保持不变，证实Gd-1复合物未从水凝胶中泄漏，体系具备良好的生物稳定性。

2.7. 体外和体内MRI温度评估

体外模体实验建立了R₁与绝对温度的线性关系（R₁ = 1.11 + 0.253T(°C)）。T₁加权图像清晰显示出温度依赖的信号强度变化。体内实验通过小鼠皮下注射水凝胶，MRI测得的温度值（30.4°C）与植入式微探针测量结果（30.1°C）高度一致，验证了该技术在活体中的应用潜力。

该研究成功开发了一种基于肽/GBCA水凝胶的新型MRI温度传感系统，解决了体内无创精准测温的技术难题。通过巧妙的材料设计，实现了弛豫率与温度间的强正相关性，其灵敏度（0.54 s^?1/°C）显著高于现有技术体系。机制研究表明，温度驱动的水分子交换动力学改变是性能增强的关键因素。

研究的重要意义在于：首先，提供了可直接通过T₁加权图像读取绝对温度的新方法，简化了临床操作流程；其次，生物相容性水凝胶载体确保了体内应用的安全性；最后，该技术为热疗监控、病理学特征分析和治疗策略评估提供了强有力的工具。当前研究团队正致力于通过聚合物封装技术进一步提高器件的长期稳定性，推动其向临床转化应用。

这项工作不仅创立了一类新型可注射响应性软材料用于精确MRI测温，更为生物医学温度传感领域开辟了新的研究方向，具有广泛的转化应用前景。