Sci Adv：中山大学徐炳哲团队合作报道脑部肿瘤治疗新进展芯片

尽管在脑肿瘤研究的基本问题上取得了一些重大进展，但成功诊断和治愈脑肿瘤对于临床医生来说仍然非常具有挑战性。手术切除肿瘤往往是患者最好的希望，然而，大多数患者在手术后仍无法存活超过五年。复发和转移是患者死亡的主要原因，这来自于手术过程中很难完全去除剩余的癌细胞。

中山大学生医工学院徐炳哲课题组联合中山大学附属第一医院及广州航海学院开发了一款一种基于声电转换的超薄脑部胶质瘤治疗芯片，该装置以无线产生肿瘤治疗电场破坏癌细胞的快速分裂，而对正常的神经元没有任何不良影响，从而可以安全地抑制脑部肿瘤细胞增殖（图1）。该芯片由四层超薄结构组成包括：绝缘高分子薄膜、导电金属层、封装膜以及中部镂空；在外部超声的激发下，绝缘高分子薄膜产生多位点谐振，并在谐振中与导电层产生电子迁移，积累的电子通过导电层输出并被进一步调控脑部肿瘤增殖抑制。

这种超声驱动肿瘤治疗装置 (UP-TTD) 是一种植入式生物医学装置，由外部超声功率激发并产生交替的肿瘤治疗场以抑制大脑中的肿瘤生长。UP-TTD 接收到外部超声波激发后，会产生一个可调谐的交变电场（低强度：1-3 V/cm，中频：100-300 kHz）。由此产生的电肿瘤治疗场（TTF）对细胞分裂所必需的带电和可极化分子施加生物物理力，阻止细胞蛋白质移动到正确的位置，从而破坏肿瘤细胞有丝分裂并引发分裂细胞的凋亡（图2）。TTF 主要作用于快速分裂的癌性肿瘤细胞，而不影响正常的神经细胞，因此它们可以安全地植入患者的大脑中。

UP-TTD混合多层柔性结构基板（图3），集成无线超声波能量转换器和柔性金属电极，实现交变电场的构建。整个系统显着小型化，易于植入，所有组件都集成在一个总厚度小于500μm的柔性薄膜芯片上，能够适应人体内部的不规则表面。无线超声波能量转换器是UP-TTD的核心部件，它将超声波机械振动与植入式摩擦发电机耦合，实现体内从机械到电的能量转换。通过超声波在 PFA 膜上产生微米级位移，然后通过与相邻金属电极的接触带电将其转化为电能。调整两个摩擦电对（薄的全氟烷氧基 (PFA) 膜和柔性铜膜）之间的微间隙以产生特定的所需电输出。为了生物安全，整个设备都装有一层薄薄的生物相容材料聚二甲基硅氧烷（PDMS，50 um），在此过程中需要小心处理，以确保设备的灵活性和功能不受影响。研究者发现尽管环境条件发生变化，封装设计仍能保持稳定和恒定的输出。UP-TTD 还表现出显着的柔韧性和耐用性，即使在数千次弯曲试验后仍能保持其结构和功能。

研究者在体外和体内的实验证实了芯片对脑部肿瘤具有显著治疗效果，体外细胞实验中，所述芯片对临床患者的胶质母细胞肿瘤的生长速度有约 58%的抑制作用；在体内的动物实验中， 植入芯片减少了荷瘤大鼠的78%肿瘤面积；总体而言，本薄膜芯片由无线超声波驱动，厚度不超过500 μm，采用所有材料均为柔性材料，可以以不同弯曲形态附着在生物组织中，能针对病灶实现植入式的肿瘤治疗。相关成果以 An implantable ultrasound-powered device for the treatment of brain cancer by using electromagnetic fields 发表于Science Advances。

徐炳哲，主要研究方向为脑神经工程，基于工程技术研究和解决脑科学问题和相关疾病，主要工作发表在Advanced Materials, Nature Communications, Advanced Functional materials等。2020年从美国哈佛大学回国，现在中山大学生物医学工程学院任职，欢迎国内外同行交流合作。Email：xubzh5@mail.sysu.edu.cn

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm5023