納米技術廣泛應用於信息產業、環境產業、能源環保、生物醫藥等領域，其中以納米材料為載體的納米粒子在癌症診療領域具有重大應用前景。然而，納米粒子的在體傳輸效率極低。相關研究表明，經靜脈注射的納米粒子在腫瘤組織中的積累量僅有給藥劑量的0.7%，且僅有約0.0014%的納米粒子可以最終進入腫瘤細胞內並發揮作用。這是由於納米粒子在體內擴散時，存在天然的物理屏障——細胞外基質（Extracellular Matrix, ECM）。作為腫瘤微環境的重要構成部分，ECM不僅可以為組織和機體提供物理結構上的支撐，還會隨著腫瘤的發生發展，發生一係列物理和力學性質的標誌性變化，表現出複雜的、隨時間變化的力學行為。這些物理和力學性質和行為的變化與腫瘤的類型、發展階段及惡性程度等密切相關，進一步加劇了腫瘤ECM對納米粒子擴散的阻礙作用，成為限製納米醫藥發展的關鍵瓶頸。因此，從力學角度研究納米粒子在腫瘤ECM中擴散行為，闡明ECM的物理和力學性質對納米粒子擴散的影響機製，對提高癌症診療中納米粒子的輸運效率具有重要科學意義。

細胞外基質的物理特征與納米粒子的擴散

　　針對上述臨床醫學和力學學科領域交叉的共性難題，西安交通大學生命科學院與技術學院仿生工程與生物力學研究所（BEBC）依托交大“大醫科＋強工科”模式，充分利用交大多學科交叉和理工醫融合的優勢，聯合本校能動學院、附屬醫院（二附院、紅會醫院、一附院）及南京航空航天大學等外校單位，通過力學、生物醫學、物理、材料等多學科的交叉合作，結合臨床樣本統計分析、臨床組織擴散實驗、單粒子追蹤技術、體外宏觀擴散實驗、分子動力學模擬及模型分析等多種研究方法和技術手段，係統研究了腫瘤ECM的密度、剛度和結構等物理和力學性質的變化對納米粒子擴散的影響規律。

　　研究團隊首先通過對比納米粒子在臨床正常組織和腫瘤組織ECM中的擴散情況，發現在腫瘤組織ECM中，納米粒子的擴散顯著受阻。基於臨床腫瘤組織的ECM特性的表征結果，構建了不同密度、剛度和結構的ECM分子模型，通過分子動力學模擬研究納米粒子在腫瘤ECM中的擴散行為。模型結果表明納米粒子的擴散能力受到ECM密度、剛度和結構的協同影響，會隨ECM密度減少、剛度降低及單向直線排列而顯著增強，且在ECM中擴散軌跡主要表現出“受限”和“逃脫”兩種運動狀態。通過對納米粒子和ECM的“接觸時間”和“接觸數目”等參數進行定量分析，發現三種ECM物理和力學性質對納米粒子擴散具有不同的作用機製：ECM密度主要通過“接觸時間”影響對納米粒子的束縛；ECM剛度主要通過影響“接觸數目”調控納米粒子運動的動態波動；ECM結構主要影響納米粒子運動的方向性。利用體外微觀單粒子追蹤實驗及宏觀擴散實驗進一步驗證了模擬的結論。最後基於臨床腫瘤組織的表征結果和三個影響因素的耦合分析，提出了預測和評估納米粒子遞送效率的方法模型，為臨床用藥和個性化診療提供理論指導，同時促進了“力-納米醫學”的發展。

臨床腫瘤組織ECM的物理特征變化及其對納米粒子擴散的影響規律

　　研究成果以“細胞外基質的物理特性調控納米粒子在腫瘤微環境中的擴散”（Extracellular Matrix Physical Properties Govern the Diffusion of Nanoparticles in Tumor Microenvironment）為題，在國際期刊《美國科學院院報》（PNAS）上在線發表。西安交通大學生物醫學信息工程教育部重點實驗室為該論文的第一作者單位和通訊作者單位。文章第一作者為西安交通大學生命學院何曉聰副教授，博士生楊媛媛和南京航空航天大學韓玉龍教授為共同第一作者，西安交通大學生命學院徐峰教授、西安交通大學第二附屬醫院劉娜教授和附屬紅會醫院韓霜教授為共同通訊作者。文章其他作者包括博士生曹春雨、李玲瀟、肖彩蘭，碩士生張中斌，西安交通大學第一附屬醫院郭卉教授，西安外事學院王琳教授，西安大興醫院韓麗春博士和西安交通大學能動學院屈治國教授。該工作得到了國家自然科學基金、陝西省重點研發計劃等項目的資助。

　　西安交通大學仿生工程與生物力學研究所（BEBC）圍繞“科學研究-技術研發-工程應用-臨床推廣”的學術思想和“臨床問題（BED）-實驗室研究（BENCH）-臨床應用（BED）”的研究思路，在腫瘤力學微環境等交叉領域，開展了從組織到細胞和分子尺度的多尺度生物力-熱-電耦合學等基礎和應用研究，為闡明重大疾病的發病機理和臨床診療提供有效的理論指導和技術方案。相關代表性研究成果發表於Nature Materials（2017，2022）、Nature Chemistry（2019）、Nature Biomedical Engineering（2020，2021）、Nature Communications（2022，2021）、Science Advances（2019）等期刊。