用于断层pH监测的多对比度磁性粒子成像，基于刺激响应型水凝胶

为什么在体内深部测量酸度很重要

医生知道，微小的酸碱度变化——以 pH 表示——常常在其他症状出现之前提示问题。发炎的组织、受感染的植入物和生长的肿瘤都可能改变局部 pH，但目前要在体内安全且精确地测量这些变化仍很困难。本文提出了一种概念验证的成像方法，未来可能让临床医生在不使用针头或放射线的情况下“看到”体内深处的 pH，方法是把微小的磁性颗粒嵌入智能凝胶中。

观察磁性颗粒的新方法

磁性粒子成像（MPI）是一种新兴的医学成像技术，并不直接成像解剖结构。它仅检测注入或植入体内的特制磁性纳米颗粒。不同于 MRI 中组织产生信号而对比剂只是调节信号，MPI 中颗粒本身就是全部信号源。这使得对颗粒的计数和追踪可以非常精确。近年来，研究人员已将 MPI 发展成一种“多对比度”工具，颗粒周围环境的变化——如温度或流体粘度——会以可测方式改变信号。本研究在这类环境因子中又加入了一个关键因素：pH。

随酸度膨胀的智能凝胶

本研究的关键成分是一种亲水的软材料，称为水凝胶。研究团队使用了含有能随 pH 获得或失去电荷化学基团的合成水凝胶。在低 pH（更酸性）时，这些基团带电较少，凝胶保持相对紧密。在较高 pH（更碱性）时，它们带正或负电荷更强，彼此排斥，使凝胶显著膨胀，吸收更多水分，体积增加数百个百分点。通过将这些凝胶浸渍在超顺磁性氧化铁纳米颗粒溶液中，研究者将其制成微小的磁性 pH 传感器。在酸性溶液中，颗粒在小体积内紧密堆积；在碱性溶液中，凝胶膨胀使颗粒分散开来。

膨胀如何改变磁信号

为测试膨胀如何影响 MPI 扫描器的观测，团队首先使用了一种伴随技术，称为磁性粒子频谱测量（磁性粒子光谱）。他们测量了干燥凝胶和在不同 pH 下膨胀的凝胶的磁响应。随着 pH 上升、凝胶膨胀，测得的信号减弱，信号的频谱变窄。换言之，凝胶膨胀越多，探测器捕获到的强“谐波”越少。这种行为可能反映了随着颗粒间距增大，颗粒彼此及与凝胶网络相互作用方式的改变。重要的是，这一效应具有可重复性并呈现出清晰且具统计学意义的趋势：在医学相关的酸性范围内，pH 越高，膨胀越明显，磁信号越低，并且两者呈较为线性的关系。

把信号变化转化为 pH 地图

接下来，研究者展示了这些信号差异可以被转化为区分 pH 值的图像。他们将几块凝胶贴片放在 3D 打印的支架中，让它们在不同 pH 的溶液中膨胀。使用一种前临床 MPI 扫描器，他们采集了图像，同时为在特定参考 pH 下保持的凝胶记录了独立的“系统矩阵”。通过以多通道重建图像——每个通道针对一个参考 pH——他们能够为不同的 pH 响应分配不同的颜色。在这些多色图像中，处于更酸性溶液的凝胶在相应通道中显示出强信号，而处于更碱性溶液的凝胶信号较弱，且在非常高的 pH 下几乎消失，因为在当前设置下它们的信号太小。该结果证明，至少对于像 2、4 和 7 这样彼此差距较大的 pH 值，MPI 能在空间上区分 pH。

这项工作在医学上的潜在前景

总之，这项工作表明，pH 响应型磁性水凝胶可以将肉眼不可见的化学酸度转化为 MPI 扫描器可以检测并分离的磁信号。作者证明了在与疾病相关的酸性范围内，凝胶膨胀与磁信号变化可预测地随 pH 变化，并能在图像中以不同颜色可视化。尽管这仍是使用毫米级贴片的早期实验室研究，但它为将来可注射或可植入的微型传感器奠定了基础，这些传感器或可用于无创监测炎症、感染或肿瘤微环境。通过进一步改进以提高对正常体内 pH 附近敏感度并识别微小 pH 变化，这一方法有望为 MPI 增添“化学视觉”，使临床医生不仅能看到组织的位置，还能根据局部酸度判断其病变程度。

引用: Kluwe, B., Ackers, J., Graeser, M. et al. Multi-contrast magnetic particle imaging for tomographic pH monitoring using stimuli-responsive hydrogels. Commun Eng 5, 33 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00586-8

关键词: 磁性粒子成像, pH 传感, 智能水凝胶, 纳米颗粒成像, 无创诊断