超顺磁纳米γ-Fe2O3材料的磁热特性研究

摘要

肿瘤治疗的方法随着医学研究的进展而层出不穷,但是目前治疗肿瘤的主要手段依然是手术、放疗还有化疗。物理医学以及医学影像学的研究发展,致使物理治疗逐渐成为医学工程研究的热点,其中热疗即为当前国内外学者研究的热点之一。将靶区温度加热至41~46℃热损伤肿瘤细胞的方法称为肿瘤热疗;将靶区温度加热至56℃以上治疗肿瘤的方法称为热消融或者热切除肿瘤法。目前常用的射频、激光、聚焦超声、全身热疗、隔离灌注等热疗方法,因为其对肿瘤的靶向能力差,容易导致肿瘤临近正常组织受到损伤,而限制了他们的临床应用范围。磁介导热疗(MegneticMediatedHyperthermia,MMH)因其具有较强的靶向性,可在体外交变磁场通过磁滞现象或诱导涡流等致使进入肿瘤病灶局部的磁性粒子或磁种产热,磁性材料将热传导给癌细胞而不损伤邻近正常组织的优点,成为非常具有前景的新一代肿瘤热疗方法之一。
　　MMH的概念于1957年首先由Gilchrist等描述,需要解决的关键因素包含以下两个:一个是高产热效率的磁性材料,一个是适用于临床且对人体无损害的磁场发生设备。在热疗技术中,磁性纳米材料因为具有普适性、高特征吸收率(吸收率是指投射到物体上而被吸收的热辐射能与投射到物体上的总热辐射能之比)等特点,受到学者们的广泛关注。但是由于磁性纳米粒子材料的肿瘤靶向特异性不是很稳定,所以限制了磁介导热疗的临床广泛应用。以往的研究发现光敏剂卟啉衍生物具有很好的肿瘤亲和性,因此可以利用卟啉衍生物对肿瘤组织的亲和力从而将卟啉衍生物作为表面修饰,包埋超顺磁性纳米粒子,输运到达肿瘤组织并与之结合,在适宜的外交变磁场的反复磁化下,产生磁滞效应等而发热,并将热传递给肿瘤细胞,从而达到高温灭活肿瘤细胞、组织的目的。本文从实验用磁场发生装置的研制、实验用纳米粒子的研制、纳米材料磁热特性三方面进行了探讨性研究,为今后的卟啉包裹体超顺磁性纳米材料磁滞热疗肿瘤技术方法研究提供了有力的支持。
　　首先本实验设计研制了磁滞热疗肿瘤用磁场发生装置。目的是设计一种磁感应热疗用交变磁场发生装置适合于实验室研究使用,验证理论激发磁场参量值的正确性。所采用的电路设计制作方法为,以555时基芯片作为核心,利用RC振荡电路转换为正弦波信号,加入放大器进行电流放大,外接密绕线圈,从而产生所需磁场用于实验研究。设计结果表明该装置可产生50-150kHz的正弦波形磁场,可使微量纳米磁性粒子集合体产热。该磁场发生装置成本低,精度高,性能稳定,参数调整方便,为在实验室内做磁热疗肿瘤基础探究提供必要的手段。
　　其次本实验对纳米粒子Fe2O3的制备方法进行了研究比较,目的是通过固相研磨、化学加热沉淀以及均匀沉淀三种不同方法制备纳米氧化铁粒子Fe2O3,从中选择具有超顺磁性特质的纳米粒子晶型,为在实验室中进行药物包被,制作磁滞热疗肿瘤用纳米材料做前期准备,并对制备方法从制备时间、粒子粒度以及纯度等方面进行比较。本实验采用的方法为,利用化学分析纯级别的氯化铁FeCl3·6H2O、氯化亚铁FeCl2·4H2O、氢氧化钠NaOH、硝酸铁Fe(NO3)3·9H2O等作为初始原料,分别采用固相研磨法、化学加热沉淀法以及均匀沉淀法制备出磁性纳米粒子,利用XRD比较粒子晶型,选出超顺磁性纳米粒子(γ-Fe2O3),并通过场扫描电子显微镜观察粒径等特质。最后的结果表明,固相研磨法可能会使粒子晶格畸变、团聚现象严重,化学加热沉淀法所得粒子粒径好、但是受影响因素较多,前二者生成γ-Fe2O3;均匀沉淀法可以调节纳米粒子核形成速率、粒径大小可以控制,生成α-Fe2O3。因此通过比较分析,得出结论,化学沉淀法操作简单适合于实验室制备实验用超顺磁性纳米粒子(γ-Fe2O3)。
　　最后本实验对表面改性后的γ-Fe2O3在交变磁场中的产热进行了初步探究。利用的方法为,取15mg表面改性的γ-Fe2O3制成75μl流体分别放在同一交变磁场发生装置内的10A、20A、30A的不同设定电流下,观察磁纳米粒子是否发热,观察同一交变磁场输出不同电流时对纳米粒子的发热影响。结果表明改性后的超顺磁纳米粒子在交变磁场中的温升达到平稳前与时间具有一定的相关性。据此可以得出结论,表面改性后的超顺磁纳米粒子在交变磁场作用下可发热,且可以通过调节产生磁场的设定电流来进行温度调控。
　　本实验创新性的提出了磁动力学疗法(MDT,Magneticdynamictherapy),可作为一种肿瘤治疗的新材料与新方法。用具有肿瘤靶向特性的光敏剂材料包裹纳米超顺磁性物质作为靶向药物植入体内并在肿瘤组织中蓄积,在外交变磁场的激发作用下可以引起超顺磁性物质反复磁化发热并导致肿瘤组织的温度升高,产生对肿瘤的磁热疗作用。该方法也可以称为肿瘤组织内的靶向热疗。本研究寻找到了超顺磁纳米粒子激发产热的磁场理论参量,并通过实验验证了它的正确性,确定了易于制作超顺磁纳米粒子,并进行表面修饰改性的实验方法,证明了产生磁场的设定电流影响超顺磁纳米粒子的产热效率。在后续的实验研究中,我们将对超顺磁纳米材料的包埋以及最优激发产热参量、最优的产热效率进一步探究。为后续进行血卟啉及其衍生物包埋超顺磁纳米粒子在磁场中的热疗方法研究提供了依据。

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正 文

实验一 磁滞肿瘤热疗磁场发生装置的研制

1 电路设计

2 参数调整

3 讨论

4 小结

实验二 纳米粒子 Fe2O3的制备研究

1 实验材料与仪器

2 纳米 Fe2O3的制备原料和方法

3 实验结果

4 讨论

5 小结

实验三 表面改性后的 γ- Fe2O3在磁场中的产热探究

1 实验材料与仪器

2 实验材料制备

3 实验方法

4 实验数据与结果

5 讨论

6 小结

总 结

参考文献

附 录

个人简历和研究成果

致谢