近期，中科院合肥研究院固体所纳米材料与器件技术研究部液相激光加工与制备团队与健康所洪波副研究员合作，在多孔Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物的表面形貌与表面负载协同增强其纵向弛豫磁共振肿瘤成像性能研究中取得新进展，相关研究成果以“Surface morphology and payload synergistically caused an enhancement of the longitudinal relaxivity of a Mn₃O₄/PtO_x nanocomposite for magnetic resonance tumor imaging”为题发表在Biomaterials Science上。 

　　核磁共振成像（MRI）是一种安全高效的体外检测手段，使用造影剂可有效增强成像效果。目前，商用纵向弛豫（T₁型）钆基小分子造影剂（如：Gd-DTPA）存在两大弊端：(1) 代谢速度过快；(2) 可能会引起肾源性系统纤维化。随着生物纳米材料体系的不断壮大，开发安全高效的T₁型无机纳米造影剂逐渐成为发展趋势。由于二价锰离子（Mn²⁺）具有十分丰富的未成对电子，因而锰基纳米造影剂受到了广泛关注，四氧化三锰（Mn₃O₄）纳米材料就是其中的一类典型代表。然而，为满足生物安全性要求，Mn₃O₄纳米颗粒必须具有与生物体内环境相兼容的表面修饰成分，且水合粒径较小，这导致材料表面Mn²⁺离子很难直接与水分子在磁场下发生能量交换，使得其增强成像性能不佳。 

　　依据纳米造影剂的构-效关系，增加纳米颗粒比表面可有效促进Mn²⁺离子与水分子的相互作用，有望进一步提高Mn₃O₄纳米颗粒的增强成像性能。鉴于此，科研人员结合液相激光熔蚀和辐照技术，直接在水相中获得了十分稳定的Mn₃O₄纳米颗粒；并通过离子交换反应，同时实现构筑多孔型纳米结构和负载氧化铂(PtO_x)纳米颗粒，形成多孔Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物（如图1所示）。MRI实验结果显示，随着复合材料中Pt/Mn比例的提高，材料的孔隙率及贵金属负载量均逐渐升高，其造影效果也逐渐增强（如图2所示）。该复合体系的纵向弛豫率r₁和横向弛豫率r₂分别为20.48 mM^-1·s^-1和29.96 mM^-1·s^-1，而商用Gd-DTPA的r₁与r₂值分别为5.18 mM^-1·s^-1和13.55 mM^-1·s^-1。多孔Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物的r₂/r₁比值为1.46，远低于高性能T₁造影剂的门槛阈值3，也明显低于商用Gd-DTPA的2.61。在小鼠体表肿瘤组织的成像实验中，多孔Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物较Gd-DTPA具有更长的体内循环时间，且成像信号强度（CNR）值更高。同时，细胞毒性测试、血液学和组织学分析等一系列生物安全性实验结果证明该材料体系具有较高的生物相容性，进而说明，多孔Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物具有安全高效性。 

　　经过深入分析，合作团队进一步明确了多孔结构和表面负载成分对该材料体系造影性能的影响。研究结果表明，多孔纳米结构能支持更多的顺磁性Mn²⁺离子中心与水分子中氢质子配位，对水质子的弛豫时间影响更显著；贵金属的有效负载会进一步限制造影剂颗粒的翻转运动，有利于提高T₁弛豫率（如图3所示），因而表面形貌与表面负载协同可提高多孔Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物的T₁增强成像效果。此外，纳米材料表面结构与其T₁弛豫过程也有密切关联，有望为开发新型纳米造影剂材料提供借鉴，为推进锰基造影剂材料的应用发展提供数据积累。 

　　该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。 

　　文章链接：https://doi.org/10.1039/D0BM01993C。 

　　图1. 基于液相激光熔蚀和辐照技术合成多孔Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物的示意图。 

　　图2. （a-b）Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物和Gd-DTPA的浓度依赖的1/T₁和1/T₂曲线；（c）在不同的摩尔浓度下，Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物的体外核磁共振图像；（d）分别在尾静脉注射Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物和Gd-DTPA后小鼠肿瘤部位信噪比(CNR)值；（e）分别在尾静脉注射Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物和Gd-DTPA后小鼠不同时间的核磁共振图像。 

　　图3. 多孔Mn₃O₄/PtO_x纳米复合物增强磁共振成像原理示意图。