西南大学黄进教授和甘霖副教授团队在纤维素纳米晶新材料研究的“维度/形貌/模板”效应方向取得新进展

生物质来源的纤维素纳米晶（CNCs）在材料领域应用的优越性与必要性是一直致力探索的目标，尤其是揭示纤维素纳米晶的一维结构、棒状形貌、刚性模板对材料高性能化和功能强化的积极效应。磁共振成像（MRI）凭借无放射性辐射损伤、高空间分辨率、三维可视等优点，成为目前诊断及治疗肿瘤有力工具之一，同时纵向弛豫（T₁）造影增强对比剂如（如含Gd、Mn元素的造影剂）经临床实践证明能有效提高诊断准确度。研究发现造影剂的形貌对决定其MRI造影对比增强效果的弛豫率具有显著影响，例如一维棒状的锰基纳米材料因其比表面积较高而利于表面顺磁性Mn²⁺与水分子直接接触，达到显著提高纵向造影剂弛豫率的效果。但是，大多数锰基造影剂在成像过程中和成像后会造成Mn²⁺不断释放到患者体内，造成累积毒性问题。因此，生物相容且高度结晶的CNCs能否凭借其一维结构和棒性形貌特征而作为锰基造影剂的刚性模板，利用表面化学调控方法构建功能性表面并与Mn²⁺有效结合，增大Mn²⁺与水分子接触几率并通过调控表面Mn²⁺密度提高弛豫率，进而达到低锰含量情况下大幅提高MRI造影对比增强效果的目的。同时，仅表面结合Mn²⁺可望大幅降低非模板型本体锰基纳米颗粒在表面Mn²⁺造影增强并释放后持续释放造成的高毒性问题。

基于上述设计， 西南大学黄进教授和甘霖副教授团队与国内外科研工作者合作，利用CNCs的“维度/形貌/模板”效应、高化学活性和生物相容性的优点，采用酯化反应其表面修饰上小分子螯合剂（二乙烯三胺五乙酸），随后与Mn²⁺鳌合，制备了Mn²⁺锚定密度可调控的MRI纵向弛豫率增强材料（Mn²⁺@DCNCs）。这一研究成果以题为“Enhancing magnetic resonance imaging of bio-based nano-contrast via anchoring manganese on rod-shaped cellulose nanocrystals”发表于Celllulose期刊。

图1. (A) Mn²⁺@DCNC纳米颗粒的制备路径; (B) (a) CNCs, (b) DCNC-2, (c) DCNC-4, (d) DCNC-8, (e) Mn²⁺@DCNC-2(1), (f) Mn²⁺@DCNC-2(2), (g) Mn²⁺@DCNC-4(1), (h) Mn²⁺@DCNC-4(2), (i) Mn²⁺@DCNC-8(1) and (j) Mn²⁺@DCNC-8(2)的AFM照片(插图是长径比的分布)

由于CNCs高比表面积的特性，本项工作中Mn²⁺的锚定度可控制在0.213%～0.325%之间。此外，原子力显微镜（AFM）测试显示修饰前后并未改变CNCs的棒状形貌，并且长径比维持在17~19之间，这为纵向弛豫率的提升提供了必要条件（图1(B)）。

理论分析表明，Mn²⁺-H⁺相互作用产生的纵向弛豫（r₁）可以通过棒状形貌得到改善，改善程度取决于Mn²⁺在棒状颗粒上的锚定程度（图2 (a)）。实验数据表明，r₁随着Mn²⁺锚定程度增加呈线性增加，值得注意的是，Mn²⁺含量仅为5.9 mmol·g^-1时，该纳米材料的纵向弛豫率可达57.71 mM^-1·s^-1（图2 (c)），远高于常规磁共振成像造影剂。同时，由于采用的是生物相容的CNCs材料且仅在表面结合Mn²⁺，因此该纳米材料对RAW 264.7和HUVEC的毒性较低，两种细胞的存活率均高于80%。由于这种Mn²⁺基纳米材料具有高r₁和低细胞毒性，与商品化的锰基和钆基MRI造影剂相比具有很大的优势，因此Mn²⁺@DCNCs纳米材料在肿瘤诊断和治疗方面的具有一定的潜力。

图2 （a）CNC表面Mn²⁺锚定数量对T₁影响的理论和实际数据；（b）1/T₁与Mn²⁺浓度关系的拟合曲线；（c）不同锚定量Mn²⁺@DCNCs材料的纵向弛豫；（d）不同锚定量Mn²⁺@DCNCs材料的T₁加权MRI图像

西南大学化学化工学院硕士研究生谌阳和华中科技大学同济医学院协和医院放射科李欣博士为共同第一作者，西南大学化学化工系学院黄进教授和甘霖副教授以及明尼苏达大学黄海涛博士为共同通讯作者。该成果得到了包括国家自然科学基金（51973175）、重庆市高校创新研究群体(CXQT19008)、重庆英才计划（CQYC201903243）等多个项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s10570-021-03693-1