Fe3O4/生物活性玻璃热种子制备及磁热性能研究

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骨肿瘤的术后复发问题是困扰医学界的一大难题,具有磁性和生物活性的磁性生物活性玻璃热种子是一种较理想的辅助骨肿瘤术后治疗的材料。一方面,该类材料可以在骨肿瘤切除后植入病变部位,通过其生物活性修复骨缺损,防止骨折;另一方面其具有磁性,可以作为热种子使用,可在交变磁场下实现磁感应无线加热,对病变部位周围组织进行热疗,利用肿瘤细胞比正常细胞对热更为敏感的特点,选择性杀死肿瘤细胞,而不伤害正常细胞,控制肿瘤的复发与转移。如何使磁性生物活性玻璃热种子既具有良好的生物活性,又能发挥良好的磁热性能,是该类材料制备的一大难点。本论文针对这一难点,以生物相容性良好的Ca O-Si O2-P2O5-Mg O为生物活性玻璃基质,以Fe3O4为磁性功能相,以生物相容性良好且在高温下能煅烧去除的碳作为改性剂,研究采用改进的特殊工艺制备兼具良好磁性和生物活性的磁性生物活性玻璃热种子材料。论文首先采用溶胶-凝胶法制备磁性生物活性玻璃前驱体,以水热法制备Fe3O4,然后将碳粉与生物活性玻璃前驱体和Fe3O4功能相以一定比例混合研磨均匀,采用有机海绵浸渍成型工艺使材料具有多孔结构,采用碳粉包埋煅烧,高温取出淬冷,制得材料。采用XRD、SEM分析材料的晶体组成和表面形貌;用红外、拉曼光谱分析材料的化学基团等信息;采用体外模拟体液浸泡评价材料的生物活性;采用VSM表征材料磁性,并将材料暴露在交变磁场下分析其磁感应生热能力;以人骨肉瘤细胞系MG-63细胞为实验细胞,通过细胞毒性实验、ALP检测、细胞黏附实验分析材料的体外生物相容性;采用兔上皮癌细胞系VX2细胞为实验细胞,考察交变磁场下,材料的磁生热性能对肿瘤细胞的杀伤效应。结果表明:(1)XRD结果表明,使用碳改性工艺的样品主晶相为Ca Mg Si O4、Fe3O4、Ca5(PO42Si O4等;红外、拉曼光谱分析进一步确认材料中磁性功能相主要为Fe3O4,说明本论文中采用的碳粉改性工艺和包埋煅烧工艺能有效防止Fe3O4在高温煅烧过程中的氧化反应;SEM表明,材料具有类似人松质骨的多孔结构;体外模拟体液浸泡14天后,材料表面生成一层羟基磷灰石层,显示材料具有良好的生物活性。(2)VSM结果显示,Fe3O4掺入量约为29 wt%,采用包埋煅烧工艺条件下,分别采用碳改性生物活性玻璃前驱体与不改性生物活性玻璃前驱体制备的热种子材料,充磁至1×106A/m时,饱和强度分别为18.2 A?m2/Kg和19.1 A?m2/Kg,矫顽力分别为4.9×103A/m和3.7×103A/m,磁滞回线面积分别为1997.5 erg/g,1160.5 erg/g,前者理论上具有更强的磁生热能力;分别将采用碳改性生物活性玻璃前驱体与不改性生物活性玻璃前驱体制备的热种子材料暴露在频率为340k Hz,强度为1.1×103A/m的交变磁场下,0.1 g材料能使3 m L的3 wt%PVA溶液300 s内分别实现约23℃和13℃的升温,SAR值分别约为7.8 W/g和5.5W/g,说明采用碳改性前驱体加包埋工艺制备的材料具有更强的磁生热能力。(3)体外生物相容性实验结果表明:采用碳改性前驱体及包埋工艺制备的材料不具有细胞毒性,并具有轻微刺激细胞分泌ALP的作用,将材料与MG63细胞共同培养5天后在材料表面观察到了细胞的粘附和生长,说明材料具有良好的生物相容性。(4)材料磁热性能对肿瘤细胞杀伤实验结果表明:将采用碳改性前驱体加包埋工艺制备的大小约Φ9×2 mm的材料放入长满VX2细胞的直径30 mm的培养皿中,共同暴露在频率为340 k Hz,强度约为1.1×103A/m的交变磁场下10 min后,细胞的存活率仅为50%;采用台盼蓝染色后,可在材料周围观察到约5 mm的细胞杀死圈。论文中制备的Fe3O4/生物活性玻璃热种子材料既具有良好的生物活性又具有良好的磁热性能,具有一定的应用前景。文中所使用的制备工艺和所获得的参数对制备其他热种子材料具有良好的参考作用。
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