本研究由广州市第一人民医院烧伤与整形外科的Xuewei Zhang等人完成，通讯作者为Ronghua Yang，研究成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces（2026年，第18卷，第38361−38374页）。研究团队针对黑色素瘤术后管理中肿瘤残留与创面愈合两大核心难题，设计并开发了一种共载中空介孔二氧化锰（hmno2）与阿霉素（dox）的光热-化疗复合微针贴片（hmno2/dox@mn），用于黑色素瘤切除术后的一体化治疗与创面修复。该研究属于生物医学工程与肿瘤术后治疗领域的原创性基础研究，旨在克服传统术后敷料在深层残余肿瘤清除、药物控释、创面微环境调控及瘢痕防治等方面的不足。
恶性黑色素瘤是最具侵袭性和致命性的皮肤癌之一，手术切除是局限性黑色素瘤的主要治疗手段。然而，术后局部复发和创面愈合不良严重影响患者预后。为降低局部复发风险，临床上通常需要扩大切除范围，这会造成广泛的组织缺损和较深的手术创面，进而削弱创面愈合能力，并增加增生性瘢痕等并发症的发生风险。此外，黑色素瘤微环境往往呈免疫抑制状态，残留的肿瘤细胞可进一步抑制免疫监视功能，而受损的免疫功能反过来又可能延缓组织修复并增加感染易感性。既往研究表明，复合水凝胶、纤维膜和生物活性玻璃纳米颗粒等先进创面敷料在促进皮肤肿瘤术后创面愈合方面显示出一定潜力，但这些材料通常仅依赖光热效应清除残余肿瘤细胞，难以有效杀灭位于深部组织中的肿瘤细胞，从而限制了其在预防肿瘤复发和转移方面的效果。同时，肿瘤微环境中的缺氧状态不仅促进肿瘤进展，还可能通过延长炎症期而损害创面愈合。此外，传统敷料多侧重于物理保护和渗出液吸收，对抑制异常胶原沉积和瘢痕形成的作用有限，且药物释放缺乏可控性和时序性，难以满足术后创面长期修复的需求。基于上述背景，本研究旨在实现双重目标：清除黑色素瘤术后残余癌细胞，同时促进有效的创面愈合与修复。
研究设计涵盖了纳米材料制备与表征、水凝胶材料构建与性能评价、微针贴片制备与机械及光热性能测试、体外细胞学实验以及体内动物模型疗效评估等多个环节。在纳米材料合成方面，研究团队首先利用溶胶-凝胶法结合硬模板刻蚀策略制备了hmno2纳米颗粒。具体过程为：将正硅酸四乙酯在碱性乙醇-水体系中水解缩合形成实心二氧化硅纳米颗粒（ssio2 nps），随后加入高锰酸钾溶液，通过超声和搅拌在ssio2表面原位生成二氧化锰壳层，得到sio2@mno2复合结构，再在60摄氏度条件下利用2M碳酸钠溶液选择性刻蚀二氧化硅核心，最终获得中空介孔结构的hmno2。通过透射电子显微镜观察到hmno2和hmno2/dox均呈球形形貌，动态光散射测得其水合粒径分别为248.2±7.0 nm和254.0±1.3 nm，说明dox的负载未显著改变颗粒在分散状态下的整体尺寸。zeta电位由−32.7±1.11 mV上升至−16.1±1.07 mV，表明药物负载后表面电位升高，这可能增强纳米颗粒的吞噬作用，从而促进细胞摄取。紫外-可见光谱分析在485 nm处出现dox特征吸收峰，证实dox成功负载到hmno2上，根据线性回归方程计算得出载药效率为30.9%，包封效率为92.9%。光热性能测试显示，在808 nm近红外激光（1.5 W/cm²）照射5分钟后，100 μg/ml的hmno2溶液温度可升至约50摄氏度，200 μg/ml时可超过60摄氏度，且多次循环照射后仍保持稳定的光热响应，证明了良好的光热稳定性和可重复治疗的应用潜力。药物释放实验表明，在pH 7.4条件下72小时内dox累积释放率仅为21.0%，而近红外照射后可提高至58.3%；在pH 5.5酸性条件下释放率达到50.1%，联合近红外照射后进一步提高至83.8%，说明hmno2/dox具有pH和光热双重响应性释药特性。溶血实验显示，即使在200 μg/ml浓度下，24小时内也未观察到明显溶血现象，活化部分凝血活酶时间和凝血酶原时间均保持在正常生理范围内，提示hmno2具有良好的血液相容性。
在水凝胶基质材料方面，研究团队从蚕茧中提取丝素蛋白，通过环氧丙基甲基丙烯酸酯（glycidyl methacrylate）对丝素蛋白进行甲基丙烯酰化修饰，合成了甲基丙烯酰化丝素蛋白（sfma）。核磁共振氢谱分析显示，与未修饰的丝素蛋白相比，sfma在6.1−6.0 ppm和5.6−5.5 ppm化学位移范围出现新的共振峰，归属于甲基丙烯酸酯基团的引入；傅里叶变换红外光谱在1649 cm⁻¹（酰胺I带）、1514 cm⁻¹（酰胺II带）和1231 cm⁻¹（酰胺III带）处保留了丝素蛋白的特征酰胺带，同时在约950−1000 cm⁻¹和1100−1150 cm⁻¹区域出现新的或增强的吸收峰，归属于甲基丙烯酸酯基团的特征振动。上述结果共同证实了sfma的成功合成。成胶实验显示，在405 nm可见光照射1分钟后，不同浓度的sfma溶液均可迅速形成稳定水凝胶。流变学测试表明，在时间和频率扫描过程中，储能模量始终高于损耗模量，说明形成了力学稳定的凝胶网络。压缩性能测试显示，20% sfma水凝胶的最大压缩应力为67 kPa，15% sfma水凝胶为45 kPa，说明可通过调节sfma浓度有效调控水凝胶的力学性能。溶胀实验显示，所有水凝胶在约8小时内达到溶胀平衡，并在此后保持稳定的溶胀率，具有良好的尺寸稳定性。降解实验表明，10% sfma水凝胶在第28天完全降解，而15%和20% sfma水凝胶在30天观察期内保持结构完整，这归因于其更致密的交联网络结构。
在微针贴片制备与表征方面，研究团队采用真空辅助浇铸法将水凝胶前驱体溶液与纳米混悬液灌注到微针模具中，经脱气、紫外光交联和脱模后制备得到sfma/hmno2/dox水凝胶微针。所选模具为金字塔形针尖，有利于高效穿透皮肤。考虑到人体角质层厚度为10−40 μm，表皮层为40−1600 μm，黑色素细胞主要分布于真皮层，微针总高度设计为800 μm，基底高度为200 μm，以实现向真皮层的有效药物递送。扫描电子显微镜和共聚焦激光扫描显微镜图像显示，微针呈均匀排列的金字塔形结构，排列紧密，有利于精确快速地插入皮肤深层。力学性能测试显示，当压缩至针尖长度一半（0.4 mm）时，所有制备的微针断裂力均超过0.52 N/针，远高于文献报道的0.03 N/针的皮肤穿透最小阈值，表明所制备的微针具有足够的机械强度以穿透皮肤并实现靶向药物递送。与空白sfma微针相比，负载hmno2/dox的微针断裂力有所降低，这可能归因于药物掺入过程中在水凝胶基质内引入的结构不均匀性或微孔。光热性能测试显示，在808 nm近红外照射（1.5 W/cm²）下，空白微针无温度升高，而hmno2/dox微针在5分钟内迅速升温至56.8摄氏度，显示出高效的光热转换能力。在酸性和光热联合刺激条件下，水凝胶基质中药物累积释放率达到90.6%，证实了其刺激响应性释放行为。体内外穿透实验表明，微针可成功穿透离体猪皮肤，针尖-基底界面因接触组织液而溶解，使针尖从背衬层分离并残留于组织中。共聚焦z轴层扫成像显示，在琼脂糖凝胶模型中，负载dox的荧光信号可在微针插入后超过320 μm深度处被检测到，说明sfma水凝胶微针具有良好的插入能力和递送深度。
在体外细胞学评价中，研究团队将不同微针配方与人皮肤成纤维细胞（hsfs）、b16f10和a375黑色素瘤细胞共培养。活/死细胞染色显示，在对照组和空白微针组中，大多数hsfs保持存活，而hmno2@mn和hmno2/dox@mn组仅有少量死亡细胞，说明载药配方在测试条件下仅诱导轻微的细胞毒性。cck-8实验进一步显示，hsfs的细胞活力总体保持相对良好，虽然hmno2/dox@mn组在后期时间点与未载药组相比出现中度降低。上述结果表明，hmno2/dox@mn对成纤维细胞具有可接受的细胞相容性，同时发挥强效的抗肿瘤作用。对b16f10和a375细胞的抗肿瘤功效评估显示，hmno2/dox@mn组的肿瘤细胞死亡显著增加，cck-8定量分析进一步证实该组细胞活力显著降低。流式细胞术分析显示，在不同处理组中，cd86阳性细胞比例从对照组的31.7%逐步下降至mn组的23.3%、hmno2@mn组的18.8%和hmno2/dox@mn组的5.95%，表明促炎表型得到有效抑制；cd206阳性细胞比例从对照组的2.11%上升至mn组的9.14%、hmno2@mn组的10.6%和hmno2/dox@mn组的25.0%，支持巨噬细胞向促修复表型极化；ki67阳性细胞比例从对照组的9.95%下降至hmno2/dox@mn组的1.58%，与残余肿瘤细胞增殖活性降低一致；hif-1α阳性细胞比例从对照组的24.8%下降至hmno2/dox@mn组的8.29%，进一步证实缺氧微环境得到缓解。
在体内动物实验中，研究团队建立了模拟不完全肿瘤切除的b16f10荷瘤小鼠模型。当肿瘤体积达到约100 mm³时，在小鼠背部制造直径10 mm的全层圆形创面，并手术切除90%的肿瘤组织，随后分别用对照组、空白微针组、hmno2@mn组和hmno2/dox@mn组贴片处理创面，术后每天用808 nm近红外激光（1.5 W/cm²）照射15分钟，连续3天。观察期15天。结果显示，hmno2/dox@mn组表现出最有利的术后进程，创面逐渐闭合，愈合期可见的复发肿瘤负荷最小；而对照组、空白微针组和hmno2@mn组均表现出更明显的残留病灶和延迟的创面愈合。终点肿瘤负荷定量分析进一步显示，hmno2/dox@mn组在所有组中残留肿瘤负荷最低，而对照组和空白微针组保留了相对较大的肿瘤团块。组织病理学分析显示，hmno2/dox@mn组组织结构更完整有序，具有更先进的组织再生特征。masson三色染色显示该组胶原沉积和组织重塑进一步改善。western blot分析显示该组I型和III型胶原蛋白表达上调，表明细胞外基质重建和功能性胶原合成增强。免疫荧光染色显示，hmno2/dox@mn组ki67表达显著降低，cd86表达降低而cd206表达升高，hif-1α表达显著降低，表明该组有效抑制了残余肿瘤细胞增殖，促进了巨噬细胞向修复性m2表型极化，并缓解了局部组织缺氧。此外，体外氧气生成实验显示，加入h2o2后，hmno2/dox@mn在酸性条件下能高效产生氧气，溶解氧浓度随时间显著增加，与hmno2在肿瘤微环境中的pH响应性催化行为一致。上述结果共同表明，hmno2/dox@mn的治疗效益不仅限于直接肿瘤消融，还涉及通过减弱促炎信号、增强修复性免疫应答、降低增殖活性和改善局部氧合来协调重塑术后肿瘤微环境。
本研究成功开发了一种响应性hmno2/dox@mn贴片，整合了hmno2/dox的双重响应性药物释放、sfma水凝胶优异的力学与生物降解性能，以及光热治疗与化疗的协同增强效应。体外和体内实验均表明，hmno2/dox@mn能有效抑制术后肿瘤复发，调节炎症微环境，缓解组织缺氧，并促进创面加速闭合，为黑色素瘤术后综合治疗提供了一种具有显著转化前景的新型辅助治疗策略。该研究的主要亮点包括：将中空介孔二氧化锰的类过氧化氢酶活性用于缓解肿瘤微环境缺氧，同时联合光热治疗与化疗实现残留肿瘤清除；采用可溶性右旋糖酐基底与sfma针尖相结合的可分离微针设计，实现了针尖在真皮层内的长效滞留和局部药物缓释；通过多重生物学机制协同调控术后微环境，既抑制肿瘤复发又促进创面修复。此外，研究还指出了若干局限性：目前仅在小鼠模型中验证，需在大型动物模型中进一步评估转化潜力；sfma水凝胶的长期生物相容性与降解行为需更全面评估；未设置dox@mn单药治疗组，因此难以严格区分化疗单独作用与联合治疗的相对贡献，其治疗优势应解释为增强的联合效应而非严格证明的协同效应。未来研究还应探索缺氧缓解、巨噬细胞极化与成纤维细胞、内皮细胞等其他基质细胞群之间的相互作用，以更全面地阐明hmno2/dox@mn治疗效应的多层面机制。