《Microchemical Journal》：Numerical analysis of multilayered nanostructures driven hyperthermia and microwave thermal ablation therapies for cancer removal
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肝癌治疗中多层金属纳米结构及微波热消融的数值模拟研究。通过COMSOL Multiphysics模拟六种Au-Ag涂层铜纳米结构（CuNS、CuNR、CuNW等）的光热特性，发现Au-Ag-coated-CuNR在570nm处达到最大消光截面积1.2×10?? m2，可有效实现42-46℃ hyperthermia治疗温度窗口。同时模拟微波功率3-8W下肝组织热消融，10分钟温度分别达56.3、69.1、88.3℃。纳米结构几何设计与微波功率选择对治疗安全性和有效性至关重要。
Saba Afzal|Muhammad Yasin Naz|Abdul Ghaffar|Muhammad Azam Zia
巴基斯坦费萨拉巴德农业大学物理系，38040费萨拉巴德
摘要
本研究通过数值方法分析了使用多层金属纳米结构和微波热消融疗法去除癌细胞的过程。首先，对一组镀有Au–Ag的Cu纳米结构（分别标记为CuNS、CuNR、CuNW、CuNC、CuNCone和CuNE）在热疗中的应用进行了光学和热响应模拟。在这些纳米结构中，镀Au–Ag的CuNR达到了45.9°C的最大治疗温度，满足了热疗的要求。CuNW、CuNCone和CuNE的热疗最低温度为42°C。光学分析表明，等离子体行为会随着几何形状的变化而变化。在所有模拟的纳米结构中，镀Au–Ag的CuNR在570 nm波长下表现出最大的消光截面，为1.2 × 10^?5 m^2，这使其适用于热疗。研究发现，纳米粒子的几何形状和功率选择对于安全有效的癌症治疗至关重要。因此，在第二步中，模拟了在3 W、5 W和8 W输入功率下对肝脏组织进行微波驱动的热消融。结果显示，在3 W、5 W和8 W的微波照射下，10分钟后癌细胞温度分别达到了56.3°C、69.1°C和88.3°C。特定吸收率（SAR）在接近0的水平上保持稳定，而在60 mm处，3 W和5 W功率下的SAR峰值约为2.4 kW/kg。
引言
金属中大量的自由电子是其独特光学特性的关键因素，包括在薄表面层中的高吸收率和高反射率。由于能隙较低，光子可以轻易地将电子激发到导带，从而显著影响其光学行为。这些自由电子在金属-介质界面处产生表面等离子体共振（SPR），通过调整组成、尺寸和形状可以大大增强表面附近的电场[1]、[2]。银是最有效的等离子体金属，因为它具有较低的能量损失，并且能更好地传输可见光、紫外线和红外光[3]。通过合金化或与金等金属形成核壳结构，可以调节其光学性质，使其在催化、基于光的电子学、癌症治疗和传感等领域具有广泛应用价值[4]。癌症是一种异常细胞失控增殖和分裂的疾病。这些细胞可能会破坏周围组织，并通过血液或淋巴系统扩散到身体其他部位，通常起源于乳腺或肺部[5]。热疗通过将组织局部、区域或全身加热到42–46°C（持续60–90分钟）来治疗癌症。局部加热可以直接破坏肿瘤细胞的膜并使蛋白质变性；而区域或全身加热则可以改善血液循环和氧合，使肿瘤对化疗和放疗更加敏感，从而提高药物的吸收效果。热疗与放疗或化疗的结合在大多数癌症（如头颈癌、乳腺癌、黑色素瘤、食管癌和肝癌）中显示出令人鼓舞的结果[6]、[7]。
微波热消融（MTA）是一种温和的治疗方法，利用微波能量提高特定区域的温度，从而去除异常组织。当组织温度达到55–60°C时，会发生热消融，在更高温度下几乎会立即造成不可逆的细胞损伤。MTA近年来被广泛用于治疗各种肿瘤，包括肺部、肾脏、肝脏等器官的肿瘤。MTA的目标是在保证正常组织安全的前提下消除肿瘤体积，通常对于肝脏肿瘤而言，这一安全距离约为0.5至1.0厘米。其原理与更广为人知的热疗类似，都是通过吸收电磁波来提高组织温度。然而，MTA的目的与传统热疗有显著不同——传统热疗旨在将目标组织温度维持在42–46°C至少60分钟[8]、[9]。热疗常与放疗和/或化疗结合使用，因为它能破坏放疗无法摧毁的细胞，并增强癌细胞对放疗的敏感性。相比之下，MTA是一种独立的过程，大约需要10–15分钟，可以去除直径达5厘米的肿瘤。MTA的基础是介电加热，当交变电磁场与不完美的介电介质相互作用时发生。部分电磁能量被吸收并转化为热量，因为微波（MW）场快速振荡（2450 MHz），使极性分子（主要是水分子）相位不同地振动。在治疗过程中，MTA在电隔离的天线周围产生电磁波。主要的加热机制是水分子的偶极极化；次要的加热机制是溶解离子在电场作用下振动产生的电阻加热。MTA设备使用的频率≥900 MHz，主要为2450 MHz和915 MHz，其中2450 MHz的消融范围更广，但915 MHz的穿透力更强[10]。微波能量可以在活动天线周围形成较大范围的加热区域（可达2厘米），从而实现更均匀的肿瘤坏死[11]。由于微波治疗在存在骨骼和血管的情况下效果更好，因此成功率更高。此外，这种技术减少了出血、烧伤和与侵入性手术相关的并发症的风险，因为只需要在肿瘤部位插入一根针。相比之下，现有的主要癌症治疗方法仅对20%的患者有效，成功率仅为35%[12]。
全球每年肝癌的发病率都在上升。预计到2020年，肝癌将成为癌症相关死亡的第三大原因，以及新发癌症病例的第六大原因[13]。风险因素包括年龄和性别，不同种族之间的风险也存在差异。肝癌最常见的原因是慢性疾病，如乙型或丙型肝炎，这些疾病会导致持续的炎症。肝硬化（通常由脂肪肝或酒精滥用引起）会进一步增加风险。这些因素可能导致肝细胞异常生长，最终可能引发癌症[14]。已有研究表明，MTA在治疗肝癌方面非常有效，能够有效破坏恶性肝细胞。Ammara等人[15]研究了多种基底对自由空间金纳米缝隙光学特性的影响，他们使用AlO?和BK7玻璃作为基底，测试了650 nm波长的光。结果表明，横向电（TE）波在电场中没有任何增强作用；然而，由于光在缝隙内反射和透射，横向磁（TM或p极化）光会发生Fabry–Perot共振[16]。Abbas等人[16]对包括核壳结构、纳米椭球体和纳米球体在内的金纳米结构进行了理论研究，发现这些结构在去除癌细胞方面有效。COMSOL Multiphysics软件用于模拟0.5 μm厚的肝脏组织，结果显示温度升高了42–48°C，其中纳米椭球体（L_cyl = 32 nm）和纳米球体（r = 20 nm）的升温效果最佳，纳米棒（L_cyl = 73 nm, R_cap = 11 nm）的升温效果最明显。
纳米粒子的表面修饰可以提高加热效率，材料组成和结构对热疗的效果也有重要影响[1]、[18]、[19]、[20]。最新文献表明，纳米粒子的形态、涂层和磁性质对于所需的热生成和治疗效果至关重要[19]、[21]。通过实现靶向加热、可控的离子释放和诱导细胞凋亡，最新的磁金属免疫治疗平台[18]、[20]（如Zn–Fe?O?@Co–Fe?O?基系统）能够增强动脉栓塞和磁热疗的效果。这些系统在与免疫检查点抑制结合使用时，可以更好地抑制原发性和转移性癌症，并促进强烈的全身免疫激活[18]、[22]、[23]。最近的研究还探讨了AMF激活的Zn-LDH@Mg植入物作为肝细胞癌中的细胞凋亡诱导剂的作用。这些系统通过促进Caspase-1/GSDMD介导的细胞凋亡，增强了免疫浸润和CD8? T细胞的激活[24]。本研究旨在模拟六种不同纳米结构在热疗中的最高和最低热输出。同时，还模拟了在3 W、5 W和8 W输入功率下对肝脏组织的微波驱动热消融过程，以支持热疗治疗。
纳米结构的几何框架
多层纳米结构驱动的热疗和微波热消融疗法机制如图1所示。使用COMSOL Multiphysics和有限元分析（FEA）研究了六种不同多层金属纳米结构的光学特性。模拟框架通过集成RF模块来评估纳米结构的光学行为。纳米结构被放置在一个称为“完美匹配层”的真空环境中
纳米结构的光学响应
图2展示了所有分析尺寸中纳米粒子的光学响应，其中镀Au–Ag的CuNW显示出最低和最高的响应。镀Au–Ag的CuNW的电场增强值和消光截面值分别为9.8 V/m和λ = 540 nm（见图2(a)和(b)）。在所研究的纳米结构中，Au–Ag镀层的CuNW表现出最明显的蓝移现象，峰值位于λ = 540 nm；而镀Au–Ag的CuNCone则表现出最显著的红移现象
使用纳米结构的热疗
热疗通常与其他治疗方法（如放疗和化疗）结合使用，尽管有时也可以单独使用[8]。转移性疾病通常通过全身热疗进行治疗，通常通过红外室实现。其他方法还包括用温暖的毯子包裹患者或加热他们的房间。除了产生热疗效果外，更先进的方法还包括利用微波、射频、红外线和超声波
使用纳米天线的微波热消融
本研究使用同轴天线在二维轴对称模型中模拟了肝脏组织中的微波消融过程。一个80 mm高的同轴天线被植入一个30 mm × 80 mm的肝脏组织区域。天线周围包裹着0.4 mm × 80 mm的外导体、0.335 mm × 69.9 mm的介电核心（中心位于r = 0.135 mm），以及0.895 mm × 70 mm的绝缘PTFE导管[42]、[43]。使用多边形几何形状模拟了位于天线尖端5 mm处的1 mm宽的缝隙（z = 9.5之间）
结论
本研究使用COMSOL Multiphysics数值分析了六种多层金属纳米结构（Au–Ag-coated-CuNS、CuNR、CuNW、CuNC、CuNCone和CuNE）的光学特性和热响应。在热疗模拟中，镀Au–Ag的CuNR（L_cyl = 22 nm, R_cyl = 7.3 nm）达到了45.9°C的最高治疗温度。同时，镀Au–Ag的CuNW、CuNCone和CuNE的温度最低，为42°C，符合42–46°C的治疗窗口要求
CRediT作者贡献声明
Saba Afzal：撰写初稿、进行形式分析、数据整理。
Muhammad Yasin Naz：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思、方法设计。
Abdul Ghaffar：撰写、审稿与编辑、监督、软件使用、资源准备。
Muhammad Azam Zia：撰写、审稿与编辑、项目管理、监督、结果可视化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
