Si@Au纳米壳在生物窗口中的热生成与传递：一项理论研究

《Optik》：Heat generation and transfer from Si@Au nanoshells for optical hyperthermia in biological windows: A theoretical study

硅金纳米壳（Si@Au）的光热效应及生物相容性研究。通过Mie理论和稳态热模型分析，发现Si@Au在生物窗口I和II中热生成与传递效率较SiO2@Au纳米壳分别提升2-3倍和6-8倍，且生物相容性更优，为光热治疗提供新候选材料。

　　

普拉纳布乔蒂·帕塔尔（Pranabjyoti Patar）| 文卡塔·拉玛纳亚·丹塔姆（Venkata Ramanaiah Dantham）

印度比哈尔邦帕特纳印度理工学院物理系，邮编801103

摘要

在这项研究中，我们利用米氏散射理论（Mie theory）和稳态热传递模型，理论分析了单个硅（Si）核-金（Au）纳米壳的热生成与传递过程。系统地研究了核半径、壳层厚度以及光波长对纳米壳光学特性的影响，以及这些纳米壳在水或生物组织中的热生成与传递情况。研究发现，在生物窗口（BW-I和BW-II）中，Si@Au纳米壳的热生成与传递效率更高。与常用的SiO₂@Au纳米壳相比，Si@Au纳米壳在BW-I中的热生成与传递效率提高了2到3倍，在BW-II中提高了6到8倍。此外，Si@Au纳米壳的生物相容性也优于SiO₂@Au纳米壳。因此，本研究表明Si@Au纳米壳可能成为高效且安全的光热治疗应用的有力候选材料。

引言

在生物医学领域，纳米粒子被广泛应用于多种诊断和治疗技术中[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。其中一种技术是光热疗法（Photothermal Therapy, PTT），这是一种先进的微创癌症治疗方法，它利用光热效应产生局部热量，选择性地破坏癌细胞或肿瘤组织，同时减少对周围健康组织的损伤[8]、[9]、[10]、[11]。最近，介电核-金属纳米壳作为热源受到了广泛关注，使其在各种光热应用中具有潜在价值[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。通过调整纳米壳的物理参数（如核半径r_c、壳层厚度t_sh以及核和壳层的介电常数），可以轻松将其局域表面等离子体共振（LSPR）波长从紫外光区域调至近红外（NIR）区域[19]、[20]、[21]。 需要注意的是，已有文献报道了SiO₂@Au纳米壳在光照射下的热生成现象[13]、[14]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。一些重要研究总结如下：Hirsch等人通过实验验证，经过调谐以吸收近红外光的Au纳米壳能够在体外和体内实现高度局域化的光热加热，这一效果通过实时磁共振温度成像得到了证实[14]。Yang等人指出，SiO₂@Au纳米粒子的光热加热效率受到硅核上金簇的纳米级形态和间距的显著影响，分布均匀、间距紧密的金簇能够通过强近场耦合实现最高的光热转换效率[28]。Harris等人从理论上确定了在阳光和近红外激光照射下实现最大等离子体热生成的最佳金纳米壳和纳米球几何结构[23]。由于其出色的光学性能、极高的生物相容性和极低的毒性，金（Au）纳米粒子通常是各种医疗应用的首选[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。然而，二氧化硅（SiO₂）的生物相容性较低，并且对某些人体器官具有毒性[35]、[36]、[37]。此外，只有非常薄的Au纳米壳的SiO₂@Au纳米壳才在近红外区域表现出LSPR现象，而这种纳米壳难以均匀合成[38]、[39]、[40]、[41]。因此，需要一种新的纳米壳核心材料，这种材料不仅具有优异的生物相容性和无毒性，还能够在近红外区域实现良好的波长可调性。 由于光损耗较低，硅（Si）纳米粒子被视为可见光和近红外区域的高折射率介电纳米粒子[42]、[43]。它们具有高度的生物相容性、化学稳定性以及无毒性[35]、[44]、[45]。由于其独特的光学特性，Si纳米粒子可以用于制造金属纳米壳的核心，从而调节LSPR波长。Si@Au纳米壳通过硅的光学模式与介电介质中的表面等离子体模式的耦合，展现出独特的光学共振特性[46]。这些纳米壳在近红外区域具有强烈的吸收能力，这对于有效的光热治疗至关重要。有趣的是，这些纳米粒子可以通过种子介导的无电沉积法、离子还原法和脉冲激光烧蚀法轻松合成[46]、[47]、[48]。然而，尽管Si@Au纳米壳的生物相容性优于SiO₂@Au纳米壳，但目前尚未对其在光照射下的热生成与传递特性进行系统研究（见图1）。因此，本研究旨在通过详细的理论分析，填补这一研究空白，探讨Si@Au纳米壳在生物窗口I和II中的光诱导热生成与传递机制。 本文报告了：（i）不同核半径r_c和壳层厚度t_sh的Si@Au纳米壳的宽带吸收和散射光谱；（ii）不同复合模式波长下，单个纳米壳内部和外部的电场强度（EFI）分布；（iii）核半径r_c、壳层厚度t_sh和光波长λ对单个纳米壳产生的热功率（$Q$）和周围温度升高（ΔT）的影响；（iv）Si@Au纳米壳与SiO₂@Au纳米壳的ΔT值比较。

部分内容摘录

单个Si@Au纳米壳的远场光学特性

如引言所述，纳米壳的高效热生成与传递在光热疗法中至关重要。换句话说，纳米粒子传递的热功率（$Q$）以及纳米粒子存在时周围介质的稳态温度升高（ΔT）对光热疗法效果有着决定性影响[20]、[21]。这些参数与纳米壳的远场光学特性密切相关[49]、[50]、[51]、[52]。

结论

首次成功地对Si@Au纳米壳的热生成与传递机制进行了理论研究。首先，绘制了不同核半径r_c和壳层厚度t_sh的单个纳米壳的宽带吸收和散射光谱。通过多分解方法发现，这些光谱中存在电型和磁型光学模式，而SiO₂@Au纳米壳则不具备这种特性。因此，Si@Au纳米壳支持更多的光学模式。

伦理声明

不适用

资助信息

作者衷心感谢印度政府Anusandhan国家研究基金会（Anusandhan National Research Foundation, ANRF）在项目EEQ/2023/000876项下的支持。

CRediT作者贡献声明

普拉纳布乔蒂·帕塔尔（Pranabjyoti Patar）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。 文卡塔·拉玛纳亚·丹塔姆（Venkata Ramanaiah Dantham）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、方法论设计、资金申请、数据分析。

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