可调弛豫与扩散特性的水凝胶制备及其作为MRI测试材料的应用研究

　　本综述系统介绍了一种利用Gd-DTPA、琼脂糖和大豆卵磷脂制备具有可调弛豫时间（T1、T2）和表观扩散系数（ADC）的水凝胶的创新方法。该方法在3特斯拉场强下实现了多参数独立调控（T1偏差<8%、T2<7.5%、ADC<11.5%），成功模拟了胰腺、白质等多类组织的磁共振特性，为MRI序列验证提供了经济可靠的仿体材料解决方案。

　　

ABSTRACT

本研究旨在开发并评估一种可在3特斯拉磁场下制备具有特定弛豫时间（T1、T2）和表观扩散系数（ADC）值的水凝胶方案，作为磁共振成像（MRI）实验中组织仿真的测试材料。通过系统研究Gd-DTPA、琼脂糖和大豆卵磷脂对弛豫和扩散特性的调控机制，建立了基于成分浓度的参数预测模型，并成功制备了模拟多种组织（胰腺、白质、纤维腺体组织、肝脏、前列腺）特性的水凝胶仿体。

1 Introduction

组织仿真材料在MRI定量研究中日益重要。现有仿体材料多局限于单一参数调控，难以模拟生物组织复杂的多参数特征。生物组织具有独特的T1、T2和ADC组合特性，例如健康肝脏组织在3T下表现为T1=800–1000 ms、T2=35–50 ms、ADC≈1×10^?3 mm²/s。然而，参数调节剂之间存在相互干扰：扩散调节剂常影响弛豫时间，而弛豫调节剂又同时作用于T1和T2。Gd-DTPA与琼脂糖的组合已证实可独立调节T1和T2，而大豆卵磷脂与琼脂糖联用可实现ADC和T2的独立控制。本研究首次探索三者联合使用的可行性，旨在开发可同步独立调控T1、T2和ADC的水凝胶体系。

2 Methods

2.1 Selection of Materials

选用去离子水作为基础溶剂，Gd-DTPA（拜耳公司）作为T1调节剂，琼脂糖（Thermo Fisher Scientific）用于调控T2，大豆卵磷脂（Carl Roth公司）作为ADC调节剂。动态光散射显示大豆卵磷脂在水溶液中形成200-350 nm的囊泡结构，这些结构通过限制水分子运动实现扩散调控。

2.2 Study Design and Procedure

通过47种不同浓度配比的溶液实验，系统分析各成分及其组合对弛豫和扩散特性的影响。浓度范围设置为：Gd-DTPA 0-0.2 mM、琼脂糖0%-4%（wt/vol）、大豆卵磷脂0%-5%（wt/vol）。基于实验结果建立数学模型，并制备模拟五种组织的验证仿体，进行重复性和稳定性（3个月）测试。

2.3 Preparation of the Hydrogels

制备流程（图1）包括：先将Gd-DTPA稀释至目标浓度，加入大豆卵磷脂磁力搅拌溶解，再加入琼脂糖微波加热至澄清，最后灌模冷却成型。样品置于20°C恒温环境保存。

2.4 Data Acquisition and Analysis

使用3T临床扫描仪（Siemens Prisma）采集数据：T1测量采用反转恢复涡轮自旋回波序列（9个TI值），T2采用多回波CPMG序列（32个TE），扩散加权成像采用RESOLVE-DWI序列（b值=0,50,500,1000 s/mm²）。通过MATLAB进行参数图拟合和ROI分析，弛豫率通过浓度-弛豫速率线性回归计算。

3 Results

3.1 MR Properties of the Ingredients

大豆卵磷脂浓度与ADC呈双指数关系（公式1），且该关系基本不受琼脂糖和Gd-DTPA影响（图2）。但高浓度（≥3%）时ADC变异性增大。弛豫分析显示：Gd-DTPA弛豫率r_1,Gd=3.78 s^?1mM^?1、r_2,Gd=4.24 s^?1mM^?1；大豆卵磷脂r_1,lec=0.10 s^?1(%/vol)^?1、r_2,lec=0.69 s^?1(%/vol)^?1；琼脂糖仅显著影响T2（r_2,agarose=6.62 s^?1(%/vol)^?1）。最终建立参数预测模型（公式2-3），表明T1由Gd-DTPA和大豆卵磷脂共同决定，T2受三者共同影响，ADC仅与大豆卵磷脂相关。

3.2 Gel Preparation Protocol

制备流程分三步：首先根据目标ADC通过公式1计算大豆卵磷脂浓度；其次结合目标T1和已确定的卵磷脂浓度，通过公式2计算Gd-DTPA浓度；最后通过公式3计算琼脂糖浓度以实现目标T2。

3.3 Achievable Combinations

可实现的参数范围：ADC 0.8-2×10^?3 mm²/s，T1 700-2000 ms，T2 40-100 ms（图3）。但由于大豆卵磷脂同时降低ADC和T1，低ADC与高T1的组合（如灰质）难以实现。所有参数组合的基线T2均＞200 ms，为通过琼脂糖调整至生理范围（＜100 ms）留出充足空间。

3.4 Experimental Validation

五类组织仿体的测量值与目标值偏差为：T1＜8%、T2＜7.5%、ADC＜11.5%（表2）。胰腺仿体ADC偏差较大（11.5%）源于高浓度卵磷脂的变异性。参数图（图4）显示各仿体内部均匀性良好。三个月稳定性测试（图5）显示参数波动与参考样品（纯水）相当，证明材料具有良好时效性。

4 Discussion

本研究首次提供可同步独立调节T1、T2和ADC的水凝胶制备方案。材料成本低廉、制备简便，且具有至少3个月的稳定性。局限性包括：无法完美模拟灰质等特殊组织；高浓度卵磷脂与琼脂糖联用会导致粘度增加和气泡问题；当前模型仅适用于20°C和3T条件。未来需研究温度/场强依赖性、长期稳定性及更多组织特性（如磁化转移、灌注效应）。大豆卵磷脂的聚集形态机制仍需通过SAXS、cryo-TEM等技术深入解析。本研究为MRI多参数定量研究提供了标准化仿体材料，并开发了配套的浓度计算工具（Python程序）以促进推广应用。