北师大曹玮/张春雷团队Adv.Mater.：“以柔克刚”！水凝胶化身“滤镜”实现过滤X射线

放疗是肿瘤治疗的重要手段之一，但近95%的患者会出现放射性皮炎（Radiation Dermatitis, RD）。RD不仅导致疼痛、溃疡，还可能迫使治疗中断，增加感染风险。目前临床主要依赖药物和敷料缓解症状，但无法直接减少皮肤辐射剂量，且长期药物使用可能带来副作用。放疗中，低能光子（10–20 keV）会沉积大量能量于皮肤，而高能光子可穿透肿瘤并产生“皮肤保护效应”。若能“过滤掉”伤害皮肤的低能光子，却不影响高能治疗光子，将成为理想的防护方案，但现有高Z材料（如铅、铋）过度屏蔽高能光子，难以应用于放疗场景。

北京师范大学化学学院曹玮教授团队与物理学院张春雷副教授团队合作，通过将硒黑素纳米颗粒与卡波姆水凝胶结合得到了一种新型硒黑素水凝胶（SeMNPs@Car），利用硒元素对K-edge近阈值能量光子的强烈吸收实现对X射线选择性过滤，旨在放疗中保护正常的皮肤组织。该水凝胶实现了对低能X射线高达96%的衰减率，同时保持高能治疗射线超过98%的透过率。动物实验表明可以有效防护放疗过程中皮肤损伤（放射性皮炎），实现100%溃疡预防并显著延迟发作时间。该研究成果以《K-edge-Inspired Selenomelanin Hydrogel: An X-ray Filtering Biomaterial for Skin Protection in Radiotherapy》为题发表在国际权威期刊《Advanced Materials》。论文第一作者为北师大物理与天文学院2023级硕士生朱汉杰，清华化学系博士后陈伟，通讯作者为北京师范大学曹玮教授与张春雷副教授。相关研究工作获得了高技术中心重点研发计划、国家自然科学基金、北京师范大学等资助。

图文导读

研究团队报道了一种能够过滤X射线的水凝胶敷料，旨在放疗中保护正常皮肤组织（图1）。该研究巧妙利用硒元素对K-edge近阈值能量光子的强烈吸收，创造性通过将硒黑素纳米颗粒（SeMNPs）与卡波姆水凝胶结合，实现了针对放疗射线的能量选择性屏蔽策略。这种硒黑素水凝胶（SeMNPs@Car）既能屏蔽高皮肤有害X射线，又保持了对高能治疗射线高透射率。在放射性皮炎动物模型中，实现了的溃疡的预防和RD发作的最长延迟，优于临床 RD 治疗方案。此外，基于蒙特卡洛的放疗场景重建进一步证明了其临床广泛适用性。

图1：涂抹硒黑素水凝胶，过滤有害X射线，预防放射性皮炎。

硒黑素水凝胶的制备与相关表征

SeMNPs@Car采用简单、温和的方法将硒黑素纳米颗粒（SeMNPs）均匀嵌入卡波姆水凝胶基质实现（图2A）。卡波姆为临床常用的生物相容性材料，使SeMNPs@Car能快速成胶（图2E）并稳定贴附于皮肤表面（图2F），满足放疗过程中对皮肤贴合度和持久性的要求。该材料结构稳定，可在室温下保存两个月以上（图2G）；室温开放环境中保水率超过60%（图2H），能够维持创面湿润环境，有利于皮肤保护和舒适性。

图2：硒黑素水凝胶的合成和相关物理性质的表征。

硒黑素水凝胶与射线相互作用机理与物理屏蔽效果评价

SeMNPs含有的硒元素K边缘位于12.9 keV，对能量范围为10–20 keV的低能X射线具有强吸收能力，而对高能治疗射线几乎不产生衰减。研究团队协同中国计量科学研究院郭思明副研究员完成相关辐射衰减测试。实验数据显示，SeMNPs@Car对低能X射线的衰减率高达96%（图3G），综合光子/电子屏蔽效率为78%（图3I），同时对平均能量为1.25 MeV的高能γ射线透过率超过98%（图3J）。进一步的机理分析表明，SeMNPs能够高效吸收低能光子并通过黑素结构的π电子体系耗散二次电子能量（图3A），从而减少皮肤局部辐射剂量，而不影响深部靶区的治疗性高能光子传输。

图3：射线与SeMNPs@Car相互作用的机理探究及选择性光子衰减能力的评价。

动物皮炎模型中的辐射生物保护效果评价

在小鼠放疗模型中，SeMNPs@Car表现出显著的皮肤保护作用。应用该材料的小鼠在放疗后放射性皮炎发作被延迟约20天（图4E），且实现了100%溃疡预防（图4C、4D），皮肤完整性显著优于临床常用的莫米松及磺胺嘧啶银对照组，放疗后皮肤损伤评分始终低于1级（图4G-I）。

组织学检测结果显示，SeMNPs@Car处理组炎症细胞浸润减少，胶原纤维结构完整（图5A、5B），免疫学检测进一步表明，SeMNPs@Car能够降低DNA双链断裂标志物γ-H2AX的水平（图5C、5D），减少细胞凋亡（图5E、5F），并维持皮肤细胞再生活性（Ki-67表达增加，图5E），验证了其综合的放射防护和组织修复作用。

图4：体内动物实验评估 SeMNPs@Car 对 RD 的放射生物保护作用。

图5：组织病理学分析和免疫荧光：SeMNPs@Car缓解 RD 的机制。

放疗场景重建及剂量分布无干扰评价

与首都医科大学附属北京友谊医院、同仁医院牛延涛、张永县主任团队对接临床需求，采集了水凝胶样品的相关CT值数据（图6A,B）。然后基于Monte Carlo算法的剂量学模拟在头颈癌及前列腺癌放疗场景中评估了SeMNPs@Car的临床应用安全性（图6C）。结果显示，将该材料贴附于患者皮肤表面几乎不影响肿瘤靶区的放疗剂量分布（图6-I），验证了其不改变现有治疗计划的可行性。该材料的应用能够有效减少皮肤受到的低能光子剂量，同时保持深部肿瘤靶区的治疗剂量稳定具备较高的临床转化潜力。

图6：放疗场景的重建和SeMNPs@Car作用下剂量分布的研究。

总结与展望

该研究巧妙利用硒元素对K-edge近阈值能量光子的强烈吸收，创造性通过将硒黑素纳米颗粒与卡波姆水凝胶结合，实现了针对放疗射线的能量选择性屏蔽策略。这项工作将硒元素独特的光电吸收特性融入到水凝胶设计，为减轻RD和其他放疗并发症开辟了新途径，并为开发基于软物质材料的 X 射线滤光片提供了设计指导。

水凝胶良好的生物相容性克服了传统金属基X射线滤光片在医疗应用中的局限，而SeMNPs本身具备的活性氧清除功能同样带来了传统滤光片不具备的辐射生物保护效果。这项成果为解决放疗皮肤毒性问题提供了新思路，有望成为新一代软物质材料X射线滤光片的典型代表。未来，若该类软材料能与可穿戴电子设备结合，还将为放疗并发症防治、临床辐射检测和个体化辐射防护管理开辟新方向。

论文信息与链接：

H. Zhu, W. Chen, R. Deng, S. Peng, Z. Zhang, J. Wang, Y. Qiao, Y. Zhang, Y. Niu, S. Guo, C. Zhang, W. Cao, K-Edge-Inspired Selenomelanin Hydrogel: An X-Ray Filtering Biomaterial for Skin Protection in Radiotherapy. Adv. Mater. 2025, e08196.

http://doi.org/10.1002/adma.202508196

来源：高分子科学前沿

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