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中科院納米能源所李琳琳/王中林《Adv. Mater.》:無線控制、可植入和全降解的摩擦電器件用于癌癥治療
2023-07-03  來源:高分子科技

  腫瘤治療場(TTFields)通過電場干擾腫瘤細(xì)胞的有絲分裂,于2011年首次獲得美國食品和藥物管理局(FDA)的批準(zhǔn),用于治療復(fù)發(fā)性多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。雖然TTFields在臨床應(yīng)用中取得了一定的成效,但目前TTFields治療需要復(fù)雜的電線連接,繁瑣的設(shè)備,治療時間長,而且可能帶有潛在的風(fēng)險因素。因此,開發(fā)一種無線控制、可植入、可降解并且治療效率高的電刺激器件,能夠為TTFields的發(fā)展提供新的機(jī)遇。


  中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳研究員和王中林院士團(tuán)隊設(shè)計了一種可植入、可生物降解和無線控制的治療性摩擦納米發(fā)電機(jī)(ET-TENG)用于惡性腫瘤治療ET-TENG具有超薄、柔性、可植入、可降解的結(jié)構(gòu)特點。在超聲波US)的刺激下,植入的ET-TENG可以產(chǎn)生交變電場,同時向腫瘤組織釋放微量的抗有絲分裂藥物,如多烯紫杉醇。交變電場和藥物的共同作用引起細(xì)胞微管蛋白和肌動蛋白的下調(diào),破壞了微管和肌動蛋白絲的組裝,導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯和細(xì)胞死亡。該器件只需花費(fèi)較短的時間(總長90分鐘,VS臨床批準(zhǔn)的TTField需每天至少18小時)就能實現(xiàn)高效的腫瘤治療,而且不需要二次手術(shù)移除,避免感染和腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險。這項工作為未來發(fā)展電觸發(fā)的智能癌癥治療奠定了基礎(chǔ)。 


超聲驅(qū)動的無線ET-TENG治療癌癥的示意圖 


圖一ET-TENG的制備、輸出性能和生物相容性。


  響應(yīng)外部超聲的ET-TENG尺寸為1厘米×1厘米,總厚度約為130微米,由兩層獨立的薄膜和夾在中間的空氣層組成。上層復(fù)合膜為摻有中空結(jié)構(gòu)共價有機(jī)框架納米籠(hCOF)的約60 μm的聚(ε-己內(nèi)酯)(PCL)納米纖維膜(記為PCL-hCOF),其上沉積了一個約100 nm的鎂層作為背電極。在純PCL納米纖維層上沉積了鎂層作為摩擦層,形成下層復(fù)合膜。兩層獨立的薄膜組通過熱壓組裝、自封裝形成ET-TENG。在頻率為23KHz、功率強(qiáng)度為0.8W cm-2超聲下,ET-TENG產(chǎn)生~3.2V的電壓輸出。同時,藥物釋放行為具有良好的電刺激依賴性。 


圖二ET-TENG在細(xì)胞水平上的癌癥治療效果。 


圖三ET-TENG干擾C6大鼠腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的細(xì)胞骨架,造成細(xì)胞周期阻滯。 


圖四ET-TENG的體內(nèi)植入、生物降解和癌癥治療性能。


  隨后考察了ET-TENG體內(nèi)、外抗腫瘤效果(圖二、三、四)。結(jié)果證明,該器件對多種腫瘤細(xì)胞具有抑制殺傷作用。在超聲波作用下,ET-TENG能夠有效地干擾腫瘤細(xì)胞有絲分裂,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。在裸鼠皮下C6腦膠質(zhì)瘤模型的治療中,植入的器件在單次超聲波作用下獲得了良好的抗腫瘤效果。 


圖五電場刺激與抗有絲分裂藥物共同作用下C6細(xì)胞RNA轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析


  進(jìn)一步對C6細(xì)胞RNA轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),在電場刺激和抗有絲分裂藥物的共同作用下,有絲分裂相關(guān)基因被調(diào)控,相關(guān)信號通路發(fā)生改變。


  總的來說,該器件可以被局部植入體內(nèi),對原位腫瘤、無法切除的腫瘤、以及手術(shù)后殘余的腫瘤發(fā)揮作用。這項工作不僅提供了可降解的摩擦電器件用于治療腫瘤的新方法,而且還為瞬時植入式醫(yī)療設(shè)備提供了一條新的途徑。


  近期,該研究成果以“Implantable, Biodegradable, and Wireless Triboelectric Devices for Cancer Therapy Through Disrupting Microtubule and Actins Dynamics”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。文章的第一作者是中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的博士生姚順成,通訊作者為李琳琳研究員和王中林院士


  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303962

  李琳琳課題組主頁:https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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