近期，中科院合肥研究院固體所納米材料與器件技術研究部液相激光加工與制備團隊與健康所洪波副研究員合作，在多孔Mn₃O₄/PtO_x納米復合物的表面形貌與表面負載協同增強其縱向弛豫磁共振腫瘤成像性能研究中取得新進展，相關研究成果以“Surface morphology and payload synergistically caused an enhancement of the longitudinal relaxivity of a Mn₃O₄/PtO_x nanocomposite for magnetic resonance tumor imaging”為題發表在Biomaterials Science上。 

　　核磁共振成像（MRI）是一種安全高效的體外檢測手段，使用造影劑可有效增強成像效果。目前，商用縱向弛豫（T₁型）釓基小分子造影劑（如：Gd-DTPA）存在兩大弊端：(1) 代謝速度過快；(2) 可能會引起腎源性系統纖維化。隨著生物納米材料體系的不斷壯大，開發安全高效的T₁型無機納米造影劑逐漸成為發展趨勢。由于二價錳離子（Mn²⁺）具有十分豐富的未成對電子，因而錳基納米造影劑受到了廣泛關注，四氧化三錳（Mn₃O₄）納米材料就是其中的一類典型代表。然而，為滿足生物安全性要求，Mn₃O₄納米顆粒必須具有與生物體內環境相兼容的表面修飾成分，且水合粒徑較小，這導致材料表面Mn²⁺離子很難直接與水分子在磁場下發生能量交換，使得其增強成像性能不佳。 

　　依據納米造影劑的構-效關系，增加納米顆粒比表面可有效促進Mn²⁺離子與水分子的相互作用，有望進一步提高Mn₃O₄納米顆粒的增強成像性能。鑒于此，科研人員結合液相激光熔蝕和輻照技術，直接在水相中獲得了十分穩定的Mn₃O₄納米顆粒；并通過離子交換反應，同時實現構筑多孔型納米結構和負載氧化鉑(PtO_x)納米顆粒，形成多孔Mn₃O₄/PtO_x納米復合物（如圖1所示）。MRI實驗結果顯示，隨著復合材料中Pt/Mn比例的提高，材料的孔隙率及貴金屬負載量均逐漸升高，其造影效果也逐漸增強（如圖2所示）。該復合體系的縱向弛豫率r₁和橫向弛豫率r₂分別為20.48 mM^-1·s^-1和29.96 mM^-1·s^-1，而商用Gd-DTPA的r₁與r₂值分別為5.18 mM^-1·s^-1和13.55 mM^-1·s^-1。多孔Mn₃O₄/PtO_x納米復合物的r₂/r₁比值為1.46，遠低于高性能T₁造影劑的門檻閾值3，也明顯低于商用Gd-DTPA的2.61。在小鼠體表腫瘤組織的成像實驗中，多孔Mn₃O₄/PtO_x納米復合物較Gd-DTPA具有更長的體內循環時間，且成像信號強度（CNR）值更高。同時，細胞毒性測試、血液學和組織學分析等一系列生物安全性實驗結果證明該材料體系具有較高的生物相容性，進而說明，多孔Mn₃O₄/PtO_x納米復合物具有安全高效性。 

　　經過深入分析，合作團隊進一步明確了多孔結構和表面負載成分對該材料體系造影性能的影響。研究結果表明，多孔納米結構能支持更多的順磁性Mn²⁺離子中心與水分子中氫質子配位，對水質子的弛豫時間影響更顯著；貴金屬的有效負載會進一步限制造影劑顆粒的翻轉運動，有利于提高T₁弛豫率（如圖3所示），因而表面形貌與表面負載協同可提高多孔Mn₃O₄/PtO_x納米復合物的T₁增強成像效果。此外，納米材料表面結構與其T₁弛豫過程也有密切關聯，有望為開發新型納米造影劑材料提供借鑒，為推進錳基造影劑材料的應用發展提供數據積累。 

　　該研究工作得到了國家自然科學基金的支持。 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D0BM01993C。 

　　圖1. 基于液相激光熔蝕和輻照技術合成多孔Mn₃O₄/PtO_x納米復合物的示意圖。 

　　圖2. （a-b）Mn₃O₄/PtO_x納米復合物和Gd-DTPA的濃度依賴的1/T₁和1/T₂曲線；（c）在不同的摩爾濃度下，Mn₃O₄/PtO_x納米復合物的體外核磁共振圖像；（d）分別在尾靜脈注射Mn₃O₄/PtO_x納米復合物和Gd-DTPA后小鼠腫瘤部位信噪比(CNR)值；（e）分別在尾靜脈注射Mn₃O₄/PtO_x納米復合物和Gd-DTPA后小鼠不同時間的核磁共振圖像。 

　　圖3. 多孔Mn₃O₄/PtO_x納米復合物增強磁共振成像原理示意圖。