含铁单宁膜的制备及其双重协同光热-芬顿反应在抑制骨肉瘤中的应用研究

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Study on the Preparation of Iron-Incorporated Tannin Films and Their Dual Synergistic Photothermal-Fenton Reaction for Osteosarcoma Suppression

本研究成功制备了Fe3O4与鞣酸（TA）复合薄膜（FT薄膜），通过脉冲激光沉积（PLD）和低能电子束沉积（EBD）技术。FT薄膜在近红外（NIR）照射下展现高效光热转换，同时促进胞内Fenton反应动力学，增强羟基自由基（·OH）生成，协同抑制骨肉瘤。体外和体内实验证实该平台显著提高抗癌疗效，兼具机械稳定性和ROS调控能力，为多模态协同肿瘤治疗提供新范式。

　　

谭晓雪|黄一轩|刘欣|D.G. 皮利普佐夫|A.A. 罗加切夫|A.V. 罗加切夫|姜晓红

国际中白生物材料物理化学与技术科学实验室，南京理工大学，中国南京小灵威街200号，210094

摘要

智能响应型药物输送系统在精准癌症治疗中展现出巨大潜力。然而，尽管基于药物输送平台的抗肿瘤策略已得到发展，但其治疗效果仍然普遍有限。在本研究中，我们构建了一个结合光热疗法（PTT）和化学动力学疗法（CDT）的平台来抑制骨肉瘤。首次通过脉冲激光沉积（PLD）和低能电子束沉积（EBD）联合技术成功制备了Fe₃O₄与单宁（TA）的复合薄膜。TA与Fe离子之间的配位形成了稳定的Fe-TA网络结构，显著提升了薄膜的机械稳定性和光热转换性能。Fe的引入不仅增强了局部加热效果，还有效加速了细胞内芬顿反应的速率，提高了·OH自由基的生成效率。电子顺磁共振（EPR）和ROS荧光染色实验均证实，该系统在近红外（NIR）照射下可释放大量羟基自由基，从而促进细胞凋亡。体外细胞实验和体内动物研究进一步表明，这种光热-芬顿协同效应显著改善了治疗效果，表现出优异的抗肿瘤性能。因此，这种FT薄膜不仅具有结构稳定性和高响应性的光热转换特性，还具备温度控制释放和ROS调节能力，为多模式协同肿瘤治疗（如PTT与芬顿反应联合治疗）提供了广阔的应用前景。

引言

骨肉瘤手术治疗后残留的肿瘤组织和骨骼缺陷给临床带来了重大挑战。传统的骨科植入物功能有限，仅作为骨骼缺陷的机械填充物，无法有效清除手术边缘或微小病变处的残留肿瘤细胞，从而导致肿瘤复发风险增加[1]、[2]。化疗作为术后主要的辅助治疗手段，在临床实践中被广泛使用。然而，由于其缺乏对骨肉瘤的特异性，以及严重的系统毒性和耐药性的产生，其治疗效果受到显著限制[3]、[4]。近年来，多功能协同治疗策略展现出巨大的应用潜力，包括传统的化疗和放疗、光动力疗法（PDT），以及新兴的光热疗法（PTT）和化学动力学疗法（CDT）[5]、[6]、[7]。与单一疗法相比，联合疗法通过协同效应整合了多种治疗方式的优点，在癌症治疗中展现了显著的临床潜力[8]、[9]。因此，开发一种结合多种治疗方式的植入物表面改性薄膜，可以实现精准的骨肉瘤治疗，同时提高治疗效果并减少副作用。

Fe₃O₄是一种获得FDA批准的材料，具有优异的生物相容性和生物降解性，在生物医学应用中得到广泛应用[10]、[11]。据报道，Fe₃O₄的高结晶度提升了其光热转换效率，表现出出色的光热性能和催化活性[12]、[13]。Fe₃O₄中的铁离子（Fe²⁺/Fe³⁺）可以在肿瘤微环境中催化芬顿反应，将过氧化氢（H₂O₂转化为高活性的羟基自由基（·OH），从而实现CDT[14]、[15]、[16]。近年来，基于芬顿反应的CDT因能够在癌细胞内高效生成活性氧（ROS）而受到广泛关注[17]。近红外（NIR）光因其深组织穿透能力和低光毒性，成为理想的肿瘤光热治疗光源[18]、[19]。在NIR照射下，Fe₃O₄能高效吸收光能并迅速产生局部热量，从而对肿瘤细胞造成热损伤。此外，局部加热还能促进肿瘤组织中的血液循环，增加H₂O₂供应，进而提高芬顿反应效率。光热效应还能加速Fe₃O₄纳米颗粒中铁离子的释放，进一步促进ROS的生成[20]、[21]。这种双重协同效应不仅有效消灭肿瘤细胞，还能通过破坏肿瘤微环境抑制肿瘤复发和转移。

单宁（TA）是一种天然多酚化合物，具有丰富的酚羟基结构，能够与Fe³⁺等金属离子形成稳定的配位复合物[22]。与其他酚类化合物（如没食子酸和多巴胺）相比，TA具有更强的金属螯合能力和更高的生物活性[23]、[24]。先前的研究表明，TA在抑制骨肉瘤方面具有显著潜力，显示出广阔的应用前景[25]。此外，TA中的酚羟基团能够与铁离子发生混合配位，实现高效且可控的铁负载和释放[14]、[26]。TA的引入不仅提升了Fe₃O₄薄膜的稳定性和生物相容性，还赋予其优异的肿瘤靶向能力和抗氧化特性，为构建多功能协同治疗平台提供了理想基础[26]。

基于上述背景，本研究提出了通过脉冲激光沉积（PLD）和电子束沉积（EBD）技术制备含有Fe的TA薄膜（FT薄膜）的方法。该薄膜不仅能通过NIR引发高效的光热效应，还能在肿瘤微环境中释放铁离子并催化芬顿反应生成ROS，从而实现双重协同的光热-化学动力学抗肿瘤效果。研究系统地探讨了制备参数、结构特性、光热性能、芬顿反应动力学以及FT薄膜对骨肉瘤的治疗效果。这一多功能治疗平台为开发高效低毒性的骨肿瘤治疗材料提供了新的范例。

材料与方法

材料制备、材料表征、单宁和铁离子释放实验、细胞实验以及动物实验的详细步骤均见于补充材料中。

FT薄膜的形态与结构

图1A显示了样品的FT-IR光谱。TA薄膜在3371 cm^-1处显示O-H伸缩振动，在1659 cm^-1处显示C=O酚酯振动，在1313 cm^-1和1214 cm^-1处显示C-O伸缩振动。芳香环吸收出现在1604 cm^-1处，750-861 cm^-1范围内的吸收峰对应于对称骨架振动[25]。FT10薄膜的FT-IR光谱与TA薄膜基本一致，表明少量Fe的引入对其光谱没有显著影响

结论

总结而言，我们制备了具有光热响应和芬顿反应协同功能的FT薄膜。薄膜内部形成的稳定Fe-TA配位网络显著提升了材料的光热转换效率。Fe的引入不仅在近红外照射下产生了高效的光热效应，还有效促进了细胞内芬顿反应的速率，显著增强了·OH自由基的生成

伦理批准声明

本研究获得了南京中医药大学附属医院伦理委员会的批准（批准编号：2024DW-018-03）。

作者贡献声明

谭晓雪：撰写——原始草稿，数据整理。黄一轩：软件处理，数据整理。刘欣：实验设计，资金申请。D.G. 皮利普佐夫：指导。A.A. 罗加切夫：数据可视化。A.V. 罗加切夫：数据验证。姜晓红：撰写——审稿与编辑，资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中华人民共和国科技部国家重点研发计划中的政府间合作项目（项目编号：2022YFE0196800，2023-2025年）和江苏省青年科技人才提升项目（项目编号：JSTJ-2024-098）的支持。