想象一下，一粒灰尘大小的治疗器件被装进穿刺针，送到人体深部的肿瘤内。随后，体外超声“隔空唤醒”它，让它发出红光、释放化疗药，对肿瘤发起光动力与化疗的联合攻击。

这一治疗场景正在变成现实。近日，电子科技大学物理学院教授薛欣宇团队联合肿瘤精准放疗四川省重点实验室医生陈梅华，在《科学进展》发表研究论文，研制出一种超声无线驱动、重约6毫克、尺寸仅1.0毫米×1.0毫米×0.9毫米的“治疗微尘”。

经过共五次、每次5分钟的治疗，这粒“微尘”使小鼠实体乳腺癌肿瘤体积降至对照组的3%以下，相当于体积抑制超过97%，肿瘤重量较对照组减少约93%，为深部恶性肿瘤的微创精准干预提供了新方法。

把治疗器件做成“灰尘”大小

实体恶性肿瘤，尤其是位于脑部、胆管、胰腺等深部或复杂解剖区域的肿瘤，常常面临手术切除困难、全身化疗副作用明显、局部治疗需要反复穿刺等问题。

现有植入式无线治疗器件有望把光、电、热或药物直接送到病灶，但不少装置体积偏大，部分系统还采用含铅压电材料，限制了它们在深部、狭小组织空间中的应用。

如何将微小治疗装置送入人体深部组织，并进行安全、有效的治疗，是薛欣宇团队研发的初衷。在压缩器件体积的同时集成多种功能，则是首要任务。

在需要无线供电的植入式医疗器件领域，锆钛酸铅（PZT）凭借较高的压电系数，成为应用最广泛的压电材料之一，能够稳定、高效地将体外超声转换为电能。但PZT含铅，而铅在人体内具有较强毒性风险，可能对体内组织造成影响。

此次研发过程中，团队选择了无铅钛酸钡陶瓷体系（BTO）作为替代，但普通钛酸钡的压电系数偏低，一般约100 pC/N，而PZT可达300～400 pC/N。“于是我们通过锡元素掺杂调控材料微结构，使其在人体生理温度范围内形成菱方相—正交相共存结构。”团队成员、博士生林睿解释，这相当于在材料内部搭起一座“应变桥梁”，让两种晶相在人体温度附近协同响应，从而增强极化响应。

最终，材料的压电系数提高到约460 pC/N，展现出可与传统含铅压电材料竞争的能量转换性能，同时避免了毒性铅元素。

“锡掺杂钛酸钡并非一种全新的材料。”薛欣宇坦言，不少研究人员都尝试在钛酸钡上做文章，希望通过各种掺杂提升性能，“而我们算是首次把这种材料用在生物领域。”

不过，掺杂提升压电性能后，材料的居里温度会下降，即工作温度上限降低。但团队所用体系的居里温度将近100摄氏度，而人体内最多约37摄氏度。因此，在人体温度范围内，它既能保持较高压电性能，又无毒且工作区间合适，恰好寻得一个平衡点。

更重要的是，锡掺杂后的钛酸钡压电陶瓷压电系数提高，可在更小体积下实现更高的声电转化效率，从而输出整个系统工作所需的足够电能。

“同时，我们在柔性电子结构上采用折叠式电路板，把平面电路变成立体结构，以实现微型化。释药单元则把化疗药装载到纳米颗粒框架中，再用水凝胶封装，进一步压缩体积。”林睿表示。

她也提到，团队有意把电路系统设计得相对简单，并将柔性电路电极连接的线宽控制在微米级别，从而降低加工难度和成本。

最终，团队研发出集成了压电陶瓷、微LED和释药单元的治疗器件，尺寸约1.0毫米×1.0毫米×0.9毫米，重约6毫克。因为尺寸接近一粒灰尘，团队将其命名为“治疗微尘”。

一粒“微尘”如何工作

在动物模型实验中，得益于亚毫米级尺寸，治疗微尘可预先装载于穿刺针内，在超声影像引导下经皮精准植入小鼠肿瘤内部。

完成治疗后，医生可在影像引导下通过活检钳抓取并移除器件，实现从植入、治疗到取出的微创闭环，降低创伤和感染的风险。

微创植入是这项技术的重要优势。薛欣宇表示，穿刺针的直径在毫米级左右，对人体组织尤其是脑组织造成的损伤，比目前部分器械更小。“虽然与一些治疗中采用的微电极相比仍偏粗，但总体穿刺尺寸控制在毫米级以下，仍是可以接受的。”

“我们目前在实验中做的是单点式器件植入，针对的肿瘤模型体积有限。”林睿表示，如果未来要治疗更大体积的病灶，可以根据实际情况采用多点式布局。

治疗时，体外超声作用于压电陶瓷，将其转换为电能，驱动微LED发出660纳米红光，激活光敏剂并产生具有肿瘤杀伤作用的活性氧。同时，超声控制释药单元释放阿霉素化疗药物。

“超声在生物组织中穿透能力较好、空间定位能力较强，安全性较高。”薛欣宇介绍，团队自制了聚焦超声设备，用形状像凹陷半球、具有特定曲面的换能器把声波聚焦到特定焦点，使能量集中在治疗范围，减少对周围组织的影响。

“未来如果应用于临床，我们也会有针对性地设计超声参数，不能让其他设备随意激活它。”他补充说道。

治疗微尘植入肿瘤内部后，团队每隔一天实施一次超声治疗，每次5分钟，总共五次。

这一时间方案并非凭空设定：团队先通过细胞级体外实验摸清器件对肿瘤细胞的大致“杀伤力”，再结合肿瘤科医生的实操经验最终敲定。

提供一种可能性

实验结果显示，光动力联合化疗组肿瘤抑制作用最明显：最终肿瘤体积降至对照组的3%以下，肿瘤重量较对照组减少约93%。

不仅如此，治疗期间动物体重保持稳定，血液学、生化指标和主要器官组织学检查未发现明显异常。局部释放的阿霉素与光动力治疗产生的活性氧共同引发DNA损伤和氧化应激，激活线粒体相关细胞凋亡通路。

同时，该治疗促进树突状细胞和CD8? T细胞浸润，改善肿瘤免疫微环境，从而形成直接杀伤肿瘤细胞与激活抗肿瘤免疫相结合的双重作用。

但这一粒“微尘”想要真正走向临床应用，还得过好几道关卡。

“目前植入时会利用超声影像定位，但超声影像不如CT、X光清晰，且器件只有毫米级，超声下可能有一点伪影。”林睿介绍，团队后续考虑引入CT和X光扫描定位，并对材料表面进行改性，增强超声可见性。同时在结构上增加锚点，便于抓取，并计划引入磁性材料等，使取出更方便。

“外科操作对抓取精准性要求很高，这些都是后续改进方向。”她说道，团队还在探索更便利的方案：技术思路不变，但把器件材料换成可降解材料。

在薛欣宇看来，“治疗微尘”更像一个平台型器件，并非只针对某一种癌的单一方案。“器件形状也要多样化，针对肺部病灶的器件可能会做成片状，而有的组织或器官可能更适应棍状、细长如针。”

功能也可继续扩展，例如集成微电极、加热元件等，增加电刺激、热疗等功能。除癌症治疗外，还可探索消炎、杀菌、组织修复等场景。

“我们研发之初的目标并不限于乳腺癌的治疗，也希望瞄准一些更恶性、更难治的癌症。比如胆管癌，胆管很细，除了这种小颗粒，其他治疗器械很难放进去。”薛欣宇透露，目前团队成员正在开展这类病症的“微尘”治疗研究。他希望这项研究能引起更多关注，也期待更多合作者加入。

“虽然距离临床应用还有很长的路要走，但这粒‘微尘’至少提供了一种可能性。”薛欣宇说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh5237

被一只手指托住的“治疗微尘”。受访者供图