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本文研究 3D 打印的 LCE-AuNR 纳米复合材料，其在体内光热驱动形状改变，为医疗植入带来新希望。
### 医疗植入物的现状与挑战
可植入医疗设备在治疗人类疾病和功能障碍方面发挥了巨大作用，但大多数医疗设备固定的几何形状与人体动态的生理过程不匹配。例如在儿童患者中，生长适应性植入物虽能通过磁场控制植入棒长度来纠正不对称骨骼生长，但金属植入物无法用于软组织，因其与软组织的机械不匹配会导致组织侵蚀和植入物排斥。在软组织中使用的一些可调节植入物策略，如具有可控制扩张速率的管状编织套筒、通过二次光交联控制的可调血分流装置以及单向形状记忆合金和聚合物等，其几何变化往往是预编程和不可逆的，限制了它们的适应性和时间控制能力。
液晶弹性体（LCEs）的特性与应用潜力
液晶弹性体（LCEs）是一种具有细胞相容性的刺激响应材料，能在加热时发生显著的可逆形状变化。它的双向形状记忆特性在生物医学应用中备受关注，但实际应用案例较少。此前报道的应用包括止血敷料和尿道吊带等。为了实现对 LCE 形状变化的时空控制，可添加光热掺杂剂，如碳黑和金纳米棒（AuNRs），它们能将光能转化为热能，使 LCE 对近红外（NIR）光产生响应。NIR 光波长在 700 - 900nm 范围内，能穿透组织数毫米，且与生物过程相互正交，在临床环境中可通过光纤激光导管以微创方式输送。然而，光热驱动的 LCEs 在体内的生物相容性和驱动行为尚未明确，这对于其临床应用至关重要。
LCE-AuNR 纳米复合材料的制备与优化
研究人员制备了 LCE-AuNR 纳米复合材料，通过硫醇 - 迈克尔加成反应，使 LC 二丙烯酸酯 C3M 和 C6BAPE 与过量的二硫醇双（2 - 巯基乙基）醚（BMEE）进行低聚反应，形成硫醇封端的低聚物。同时，通过两步法对 AuNRs 进行聚乙二醇（PEG） - 硫醇功能化，减少其聚集。将功能化的 PEG - AuNRs 与硫醇封端的低聚物、烯交联剂乙二醛双（烯丙基缩醛）（GBDA）和光引发剂 Irgacure 369 混合，经溶剂蒸发后，通过直接墨水书写（DIW）3D 打印并 UV 光交联，得到 LCE-AuNR 墨水。
为了在体内利用 LCE-AuNR 的驱动而不造成热组织损伤，研究人员优化了材料在 37°C - 50°C 生理相关温度窗口内的应变 - 温度耦合。通过增加 C6BAPE 与 C3M 的相对浓度，降低了向列相 - 各向同性相转变温度（TNI）。当 C6BAPE:C3M 为 0.33:0.67 时，TNI为 45°C，此时 3D 打印的 LCE-AuNR 在 37°C - 50°C 产生的热机械应变为 - 16.1%，最大应变 - 温度耦合出现在 45°C。此外，为了提高材料对较低强度 NIR 光的响应，将 PEG - AuNRs 的浓度提高到 0.02 wt%，并 3D 打印了 2 层（500μm）的线性致动器，使致动器在 37°C - 50°C 的力输出增加到 0.072N，是单层致动器的三倍多。优化后的 LCE-AuNR 在较低 NIR 强度下也能表现出更大的驱动应变。
LCE-AuNR 的生物相容性与体内性能评估
在将 LCE-AuNR 皮下植入小鼠之前，按照 ISO - 10993 - 5 标准对其细胞毒性进行了洗脱和直接接触测试。以医疗级硅胶（MGS）为阴性对照，结果显示，3T3 成纤维细胞在 LCE-AuNR 和 MGS 洗脱液中培养 24 小时后，细胞活力均较高（LCE-AuNR 为 100% ± 3%，MGS 为 109% ± 1%），与已知诱导细胞死亡的十二烷基硫酸钠（SDS，1mg/mL）处理组（26% ± 16%）相比差异显著。在直接接触测试中，3T3 成纤维细胞与 LCE-AuNR 或 MGS 直接接触 24 小时后，细胞活力不受影响，材料接触区域下方和周围均无细胞死亡区域。
对 LCE-AuNR 进行体内实验，评估其在小鼠皮下植入后的异物反应（FBR）。将 LCE-AuNR 和 MGS 分别植入雄性和雌性 BALB/c 小鼠体内（每个时间点 n = 6），在植入后 3 天、7 天、28 天和 50 天进行组织学分析。结果显示，植入后 3 天，LCE-AuNR 和 MGS 植入物周围的免疫细胞浸润程度相似；到第 7 天，MGS 植入物周围形成了厚层（24.3 ± 5.4μm）的免疫细胞层，而 LCE-AuNR 植入物周围只有薄层（14.6 ± 7.1μm）免疫细胞层（p < 0.05）。在第 28 天和 50 天，两种植入物周围均形成了稳定的纤维包膜，且纤维包膜厚度无显著差异。在第 50 天，部分 LCE-AuNR 切片出现表面侵蚀，但未观察到细胞死亡或其他病理现象。
对植入的 LCE-AuNR 进行经皮 NIR 照射光热驱动实验。在麻醉状态下，于植入后第 3 天、7 天、21 天和 50 天进行实验，利用超声和热成像分别监测 LCE-AuNR 的应变和皮肤表面温度（TS）。由于 NIR 光通过皮肤的传输受入射角影响，实验中根据每只小鼠的情况确定 NIR 强度，范围为 1.82 - 4.42W/cm2。经皮 NIR 照射使植入的 LCE-AuNR 迅速驱动，超声可清晰观察到其形状变化。例如，在 3.90W/cm2的 NIR 照射下，LCE-AuNR 在 30 秒内达到平衡状态，最大皮肤温度（TS - Max）为 48.4°C，对应最大应变（εMax）为 - 14.6%，激光关闭后，LCE-AuNR 在 20 秒内恢复到原始长度。实验还发现，植入后不同时间点（3 天、7 天、21 天、50 天）LCE-AuNR 的应变响应无显著差异，尽管形成了纤维包膜，但并未限制其应变响应。
评估光热驱动在体内是否会对周围组织造成损伤。通过计算累积等效 43°C 分钟数（CEM43）来评估热等效剂量，实验中 LCE-AuNR 植入物周围组织的平均 CEM43为 61 分钟，最大值为 254 分钟，低于人类表皮坏死的阈值（360 分钟在 44°C，CEM43 = 500 分钟）。组织学分析显示，经皮 NIR 照射后，LCE-AuNR 植入物上方的皮肤组织和周围组织均未出现明显病理变化（如表皮或真皮坏死、中性粒细胞浸润、毛囊损伤或肌肉纤维化），按照法国烧伤研究与治疗协会（SFETB）的分类，这些组织均被评为 0 级。
讨论与展望
本研究展示了一种基于 LCE-AuNR 纳米复合材料的光热驱动可调节医疗设备的新方法，通过调整 LCE-AuNR 的温度响应，使其在体内能够有效驱动且不会造成热组织损伤。体内外实验证实了该方法的可行性，但也发现了一些问题。例如，LCE-AuNR 在植入 50 天后出现表面侵蚀，这可能是由于巨噬细胞释放的活性氧物种氧化了材料中的硫醚键，导致酯键水解。虽然少量的 PEG - AuNRs 在材料降解时不太可能引发显著的宿主反应，但仍需要更长时间的研究来全面表征 LCE-AuNR 在体内的降解动力学和宿主对降解产物的反应。
为了防止 LCE-AuNR 性能下降，可以采用抗污表面涂层或合理设计 LCE 网络来控制降解速率。此外，尽管本研究中光热驱动的热剂量是安全的，但未研究重复或连续光热驱动的影响。未来，光热调节医疗设备可能通过微创程序实现，利用光纤激光导管或可植入的 μLEDs 输送 NIR 光。
LCE-AuNR 在体内的驱动性能优于预期，尽管其应变相对较小，但通过持续研究有望增强其热机械响应。未来的研究可以结合动态键或多材料装置，实现更大、更复杂的形状变化，满足不同临床需求，如儿科患者的生长适应性植入物。通过将这些策略与超声可视化相结合，医疗设备的调整可以在门诊进行，实现个性化治疗。总之，光可重构医疗设备有望为儿科和成人患者带来变革性的治疗效果。
