（材料学专业论文）多孔铁磁性微晶玻璃的制备及磁性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 当癌细胞被加热到约4 2 - 4 5 时就会大量被杀死，而正常细胞被加热 到4 8 以上也不会死亡因此，温热疗法将肿瘤部位加热至4 3 一 4 8 c 以上， 有选择性地杀死癌细胞而又不伤害正常细胞，被认为是一种没有副作用的 治疗癌症的有效方法温热疗法作为一种有效的治癌新方法正成为国内外 医学界研究的热点，而寻找一种既能够安全地植入人体内部又能够产生足 够热量的热种子材料成为研究的焦点问题以f e g h - - c a o - - s i o 。为基础组分并 添加少量b a 、p 2 0 5 的铁磁性微晶玻璃作为热种子材料，可以将磁滞生热所 需的强磁性与良好的生物活性相结合，即使长期滞留在人体内也无不良影 响，因此对于治疗处于人体组织深处的肿瘤具有重要价值。 本文以铁钙硅玻璃为主要研究体系，当玻璃组成点落在这个三元相图 的磁铁矿初晶区时，经过热处理会析出磁铁矿晶相。改变玻璃的化学组成、 热处理制度可以控制其晶相含量、晶粒尺寸及磁性质，调节玻璃的化学组 成可以使玻璃同时具有良好的磁性和生物活性。针对目前所用的热种子材 料所存在的问题，本文选用具有潜在生物活性的铁钙硅玻璃系统，通过适 当添加五氧化二磷，使玻璃在生理溶液中能够形成骨组织的成分羟基磷灰 石，因而具有生物活性。采用发泡剂将铁磁性微晶玻璃制成多孔性的组织 结构，其中的孔隙可以作为化学药物的载体，在体内进行缓慢释放药物， 达到化疗和热疗的双重效果。 研究的内容为基础玻璃熔融析晶法制取铁磁性微晶玻璃热种子材料， 确定以f e 疵弋a o - s i o 。为主体并添加少量b 2 0 3 和p 2 0 5 的基础玻璃组成，采用 石英坩埚在1 3 8 0 的温度下熔化成均匀、纯净并具有光泽的黑色玻璃体。 采用d t a 、x r d 分析确定合理的热处理制度制得以f e a 为主晶相的微晶玻 璃，对所制得的微晶玻璃进行磁性能测试及生物活性试验。 经研究发现，合理的基础玻璃组成中f e 2 0 3 的质量百分数为4 0 左右，热 处理制度是在1 0 6 0 下保温，热处理时的气氛应为在还原性气氛。本课题 中制得的微晶玻璃的单位质量最大磁化强度达到了2 2 6a m - 1 g 一。通过模拟 体液的浸泡实验，证明添加了少量p ：0 5 后e h f e ：0 3 一c a o - s i 0 2 体系制得的铁磁性 山东大学硕士学位论文 微晶玻璃表面能够生成骨组织的主要成分羟基磷灰石，说明微晶玻璃热种 子材料具有生物活性。在治疗骨肿瘤时通过外科手术一次性植入病变部位， 可以长时间的存在在人体中，减少病人的手术痛苦，并可进行反复进行热 疗。 本文创新之处为选择炭粉作为发泡剂、在11 6 0 的发泡温度下制得孔 径为几十个微米的铁磁性多孔微晶玻璃，使铁磁性微晶玻璃既具有较强的 磁性和良好的生物活性的要求，同时又可将化学药物填充于多孔微晶玻璃 的孔隙中，使铁磁性多孔微晶玻璃能够作为化学药物的载体在人体中进行 化学药物缓慢释放，达到对癌细胞进行物理和化学双重治疗的效果。 关键字：温热疗法；热种子材料；铁磁性微晶玻璃：多孔；生物活性 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e nc a n c e rc e l l sw c t eh e a t e dt oa b o u t4 2 4 5 i tw o u l db em a s s i v e k i l l e d , a n dt h en o r m a lc e l l sw e r eh e a t e dt o4 8 a b o v ew o u l dn o tb ek i l l e d t h e r e f o r e h y p e r t h c r m i at h a tt h ec a n c # a rc e l l sw e t ck i l l e ds e l e c t i v e l ya n dt h e n o r m a lc e l l sw e t cn o th a r m e dw h e nt h el o c a t i o no ft u m o rw 鹄h e a t e dt o4 3 4 8 w a sc o n s i d e r e dt ob ea n os i d e - e f f e c tm e t h o dt ot r e a t m e n tc 雒c 贯i tw a s b e c o m eai n t e r n a t i o n a lh o t s p o tt or e s e a r c hi nm e d i c a l i tw a st ob e 曩f o c u st o r e s e a r c ht h et h c r m o s c e d st h a tw a se n n b e d d e di nb o d ya n dp r o d u c e dh e a t t h e t h e r m o s e e dc a n l ef r o mc r y s t a l l i z a t i o no fg l a s sb a s e d0 1 1f e 2 0 3 - c a o s i 0 2 、衍t l l t h ea d d i t i o no fas m a l la m o u n to fb 2 0 3a n dp 2 0 5 , c o m b i n e dt h es t r o n g f e r r o m a g n e t i s ma n dt h eb i o a e t i v i t y , w a sn os i d e - e f f e c te y c ni nb o d yf o rl o n g t i m e i tw a si m p o r t a n c ev a l u et ot r e a t m e n tt u l t i o u ri nd e e po ft i s s u e 1 1 1 cf 0 2 0 3 - c a o - s i 0 2 酉a s ss y s t e mw a ss t u d yi nt h i sp a p e rn l a j o r w h e nt h e c o m p o s i n go fg l a s sw a sd e s i g n e di nt h eb e g i n n i n go fc r y s t a la r e a , t h em a g n e t i t e s e p a r a t ef r o mb a s eg l a s sw h e n i tw a sm a n a g e du n d e rp r o p r i e t yt e m p e r a t u r e n e c o n t e n ta n dd i m e n s i o no fc r y s t a l ，m a g n e t i cp r o p e r t yw e r et ob ee o n t r a lb y c h a n g i n gc h e m i c a lc o n t e n ta n dh e a t = t r e a t m e n t n 地m a g n e t i cp r o p e r t ya n d b i o a c t i v i t yw e r eo b t a i n e da to n et i m eb yc h a n g i n gc h e m i c a lc o n t e n to fb a s e g l a s s t h et e c h n o l o g yr o u t ew a st od e s i g nt h ec o n t e n to fb a s eg l a s s , p r o d u c e g l a s s ，d t a ，x - r a y , c o n f i r mt h es y s t e mo fh e a t t r e a t m e n t , t e s tt h em a g n e t i c p r o p e r t yo fs a m p l e ，s o a ki nt h es i m u l a t e db o d yf l u i d ，a n a l y s i sr e s u l t , c o n f i r m v e s i c a n ta n df r o t h i n gt e m p e r a t u r e 1 1 1 cf e r r o m a g n e t i cg l a s s - c e r a m i c sf r o mc z y s t a l l i s a t i o np r o c e s sw e l e i n v e s t i g a t e d t h cg l a s sb a s e do ff 0 2 0 r c a o s i 0 2w i t ht h ea d d i t i o no fas m a l l a m o u n to fb 2 0 3a n dp 2 0 5 i tw e r em a l ti ns i l i c ac r u c i b l eu n d e r138 0 a n d p r e p a r e du n i f o r ma n dp u r eb l a c kg l a s s t h eh e a tt r e a t m e n tt op r o d u c t g l a s s c e r a m i c so fm a i nc r y s t a lf e 3 0 4 w e r ed e c i d e df r o md t a a n a l y s i s 1 1 1 em a g n e t o m e t e ra n ds o a k i n gi ns i m u l a t e db o d yf l u i dw a st e s t t h er e s u l tt h a tt h ec o n t e n to ff e 2 0 3i nb a s em a s si s4 0 ，t h er e a s o n a b l e p r o c e s so fh e a t t r e a t m e n ti sm a i n t a i n e da t10 6 0 u n d e rt h ed e o x i d i z e d a t m o s p h e r ef o ral o n gt i m e 啊地r e s u l t sa r es h o w e dt h a tt h em a t e r i a lh a s m a g n e t i ci n t e n s i t yp e ru n i tk i l o g r a mo f2 2 6a m - g 1 ka n db i o a e t i v i t yi s s h o w e dt h a tt h eh y d r o x y l a p a t i t el a y e rf o r m i n go nt h es u l f a c eo fg l a s s - c e r a m i c s s o a k i n gi ns i m u l a t e db o d yf l u i d n cm a g n e t i ct h e r m o s e e dm a t e d a l sw a s p l a n t e di np o s i t i o no n c eb ys u r g i c a l ，a n di tw a se x i s t e di nb o d yf o rl o n gt i m et o r e p e a th y p e r t h e r m i at i m ea n dt i m ew i t h o u tp a i n 1 1 1 ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e l i st os e l e c tc h a r c o a la n dc a l c i u n lc a r b o n a t ea s v e s i c a n tt op r o d u c ep o r o u sf e r r o m a g n e t i cg l a s s - c e r a m i cw i mm a g n e t i cp r o p e r t y a n db i o a c t i v i t yu n d e rr e a s o n a b l e 舶t i l i n gt e m p e r a t u r e t h cc h e m i s t r yd r u g g e r yi s f i l l e di nh o l eo ft h e p o r o u sf e r r o m a g n e t i cg l a s s c e r a m i c 1 1 1 ep o r o u s f e r r o m a g n e t i cg l a s s c e r a m i ci s t ob eac a r r i e ro f t h ec h e m i s t r yd m g g c r yt o r e l e a s es l o w l yi nt h eb o d y i tc a no b t a i nd o u b l et r e a t m e n te f f e c tb o t hc h e m i c a l 3 山东大学硕士学位论文 a n dp h y s i c a l k e yw o r d s ：h y p e r t h e r m i a ；t h e r m o s e e dm a t e r i a l ；f e r r o m a g n e t i cg l a s s c e r a m i c s ； m a g n e t i cp r o p e r t i e s ；p o r o u s ；b i o a c t i v i t y ； 4 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下独立研究、 撰写的成果论文中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在论文中加以说 明。除此之外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品对 本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示了谢意。 本声明的法律结果由本人承担 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下完成的学位论文作者完全了解学校有关保留、使用毕业论 文的规定，知识产权归属山东大学，即：学校有权保留、送交论文复印件，允许 论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、扫描 等复制手段保存本论文。 做作者躲壶蚣 导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 在人类抗争疾病的斗争中，癌症一直以来是一座难以逾越的屏障，癌 症是长期困扰人类生命安全的难题，目前还没有可以预防或根治癌症的方 法。虽然随着科学技术水平的不断提高，人们能在一定程度上遏制癌细胞 的扩散，但是距离达到彻底治愈癌症、杀死癌细胞、完全消除癌症患者的 痛苦，还要走过一段漫长的奋斗之路。治疗癌症一般还是单独或结合采用 外科手术、放射疗法和化学疗法，但很难完全杀灭所有癌细胞，癌症的复发 率和死亡率依然很高，并且放疗与化疗会给人体带来严重的损害。常用的化 学疗法和放射疗法虽然能减缓癌细胞的蔓延，但是它们在杀死癌细胞的同 时也对大量的正常细胞构成了伤害，产生许多副作用和并发症n 一3 。 研究表明，恶性细胞和正常细胞对温热的感受性具有明显的差异，正常 细胞被加热到4 8 以上也不会死亡，而肿瘤细胞一般加热到4 0 4 3 就会 开始死亡。这种特殊的热敏感性使局部加热到3 9 4 0 c 时，癌细胞便开始 停止分裂，4 1 4 2 时d n a 损伤破坏，到约4 3 时癌细胞死亡，而人体正 常组织细胞在4 8 c 时仍然能够生存。利用这一原理，人们尝试利用温热疗 法来治疗癌症。温热疗法是用人工加热的方法治疗癌症，即利用各种物理 能量在人体组织中所产生的热效应使细胞温度升至一定温度以上并维持一 定时间，达到杀死癌细胞并避免正常细胞遭受损伤的目的。如热水、红外 线、超声波、微波等，但这些方法的治疗效果都不够理想。而温热疗法治癌 材料可以作为热种子材料被植入人体癌症患处附近来直接对患处进行加热， 因其具有可以较好控制加热范围、程度和均匀性的优点，温热治癌材料已成 为国内外研究的热点口一一j 一1 山东大学硕上学位论文 1 2 温热疗法的主要机理 1 2 1 产热机理 1 、磁滞生热。金属物体在交变磁场中都会在其内部产生感应电流，也 即涡电流。涡电流的大小同交变磁场的特性，金属物体的大小、形状以及 材料组成等因素密切相关，当这些电流在金属内流动时，金属材料便产生 热量。如果金属是磁性的( 如铁、镍、钴等铁磁材料) 并且其尺寸较大， 则产热能力将大大增强。一般情况下，将磁性材料置于交变磁场内时，当 其尺度在毫米水平时，热量的产生主要依靠涡流和磁滞。对于尺度在微米 级别的磁性颗粒来说，磁滞产热成为热量产生的主要因素国一一引。 2 、微波热疗乜引。应用时间最长、最普遍，常用的电磁波频率为2 4 5 0 m h z 、 9 1 5 m h z 、4 3 4 m n z ，由于其频率高、波长短，穿透深度较浅，一般在3a i l l 左 右，主要用于浅表肿瘤和腔内肿瘤的治疗，治疗范围由辐射器的大小和形 状决定，在肌肉组织中衰减较大，难以对深部肿瘤进行热疗。 3 、超声波热疗。超声波是一种机械波，利用物质的质点在其平衡位 进行机械振动的频率叫超声波。超声波肿瘤热疗机常用的超声频率为0 5 m i - i z , - 一5 m l - i z ，日常所用多为1 m t t z 。超声波具有波长短，便于聚焦和穿透力强 的特点，聚焦后的超声能量可达每平方厘米千瓦以上，一般能达到8 0 c 以 上，如此高的能量足以破坏肿瘤组织的结构和性质，使肿瘤细胞蛋白质瞬 间凝固，达到杀灭肿瘤细胞的目的，用来治疗深部肿瘤，各种“超声刀、 “隐形刀”均属此类。但因超声波只能在液体中传播，不能穿透含气组织 和骨骼等硬物，难以治疗肺癌、食管癌和有肋骨阻挡的肝癌等肿瘤。 1 2 2 温度控制 磁性材料置于交变磁场下时就开始感应加热，当温度升高并达到热种 子材料的居里点温度时便失去磁性变成普通的顺磁质，即失去了进一步加 热升温的能力，当温度下降至居里点温度以下时，热种子材料又恢复磁性 而又具有加热能力，最终温度达到与热种子材料居里点温度相近的温度， 因而达到自动控温的目的。这种控温方法适合于居里点温度较低且在一个 2 山东大学硕士学位论文 相当窄的温度范围( 一般几摄氏度) 的热种子材料，只有这样才能将肿瘤 组织加热并达到一个实际所需要的温度。对于居里点温度较高的材料可通 过交变磁场的变化来调节温度。 1 2 3 温度测量与控制 肿瘤部位是否被加热到了满意的温度，需要由测温技术来监测。因此， 测温技术是控制温度的另一个关键因素。由于有交变磁场以及组织内的磁 性介质的存在，对测温技术有一些特殊的要求。目前的测温方法主要分为 无损测温和有损测温两种，无损测温最近取得了重大进展，已有一些方法 进入试用阶段如磁共振实时测温，由于无损测温的非侵入性，被认为是未 来测温的发展方向，而目前实际应用的测温方法中有损测温仍是主流。有 损测温是将热电偶、热敏电阻或光纤类等温度传感器在影像学指导下插入 人体组织对加热效果实施监测1 副。 1 2 4 磁场频率与强度的选择 温热疗法所采用的磁场范围主要在中低频范围( i o k h z 5 0 0 k h z ) ，选 择这一范围主要是考虑到过低频率的交变磁场易在人体内产生神经肌肉刺 激症状，而过高的频率( 如射频所在频率范围) 则可使人体组织内产生涡流 加热，使正常组织温度也升高瞪1 。在对交变磁场特性的描述中会用到频率( f ) 和磁场强度( h ) ，频率( f ) 常以赫兹( h z ) 为单位，而磁场强度( h ) 可用国际 单位a m 表示，也有用奥斯特( o e r s t e d ，o e ) 来表示的。二者之间的换算为 1 0 e = 7 9 5 7 7 a m 。磁感应强度b 的单位为特斯拉( t e s l a ，t ) ，也可用高斯 ( g a u s s ，g ) ，1 g = 1 0 - 4 t 磁场强度( h ) = 磁感应强度( b ) 导磁率( p ) 。 1 3 热种子材料 热种子材料乜1 ( t h e r m o s e e d s ) ，就是注入或植入肿瘤部位，能够将癌细 胞加热从而杀死癌细胞的材料温热疗法治疗癌症的关键之一就是选取合 适的热种子材料。这种材料必须具有良好的磁滞生热能力，可以达到并维 持杀死癌细胞所需的温度；并且对人体没有毒害和副作用；此外，最好还 3 山东大学硕上学位论文 应具有可调整温度的功能和良好的生物活性。目前所用的热种子材料主要 有低居里点铁氧体、铁磁合金和铁磁性微晶玻璃等。 1 3 1 铁氧体 铁氧体能够发热主要由于磁滞损耗效应，实验表明磁滞损耗的大小与 磁滞回线的面积成正比。铁氧体的另一个重要特点是居里温度。居里温度 是个临界温度，在此温度以上，由于热运动较强，致使自发磁化消失。就 是说原为铁磁相的铁氧体在交变磁场中温度升高到达居里点后自发磁化消 失，变为顺磁相，磁滞损耗也就相应消失，材料不会发热而使温度下降。 当温度降至居里点温度以下时，材料又转变为铁磁相而继续发热，如此循 环就达到自动控温的目的。 铁氧体的制备方法有很多，国内外的研究中比较常用的方法主要有氧 化物法、共沉淀低温烧结法和共沉淀一水热合成法。氧化物法是指将氧 化物原料直接研磨混合，经预烧、细磨、成型、烧结等步骤制成铁氧体的制 备方法。在对铁氧体制备的探讨上，同济大学的吴知方副教授等用氧化物法 制得低居里温度铁氧体，并测定了磁滞回线和温升幅度；禹长清、张武用共 沉淀法，以草酸铵为沉淀剂制备出超细的锰锌铁氧体前驱体粉末，得到的铁 氧体性能优于一般干法生产的锰锌铁氧体性能；桑商斌等人用水热法并加 入特定的添加剂制备出单相的锌锰铁氧体纳米晶，具有较好的磁性能h 1 。 1 3 2 合金铁磁材料 在具有磁性的金属中，由于镍的居里点较低( 3 5 8 ) 、机械加工性能 和化学稳定性都比较好，磁性波动小是较好的铁磁热种子材料。目前使用 的合金铁磁材料主要有镍铜、镍硅、镍钯等三种。含镍、铜分别为7 0 4 和 2 9 6 的镍铜合金的居里点为5 0 1 ；含镍、硅分别为9 6 和4 的镍硅合金 的居里点为5 5 - - 6 5 ；镍钯合金的居里点为5 0 6 5 。这种合金材料作为 热种子材料的特点是居里点较低、控温方便，不会使局部过热而造成大量 正常细胞的死亡，缺点是此种材料不具有生物活性，不能长时间存在于人 体中，治疗一定时间后需要再通过手术取出，给病人带来不必要的痛苦。 4 山东大学硕士学位论文 1 3 3 铁磁性微晶玻璃 铁磁性微晶玻璃可以将磁滞生热所需的强磁性与良好的生物相容性相 结合，即使长期滞留在人体内也无不良影响。目前，已报导的用于温热治疗 癌症的铁磁体微晶玻璃主要有铁钙磷系统、锂铁磷系统和铁钙硅系统等，其 中铁钙磷和铁钙硅铁磁性微晶玻璃由于同时具有强磁性和生物活性而备受 研究者注目，进行了很多研究“1 。 1 3 3 1 铁钙磷微晶玻璃 吴知方等n 3 3 将制备的c a o - f e , 0 3 - p 舡系统玻璃试样在5 7 0 - 5 7 7 下进 行热处理，并在模拟生理液中浸泡经热处理及模拟生理液浸泡后的样品 以x r d 方法确定了主晶相，测定了微晶化后样品的密度、化学稳定性及磁滞 回线c a o - f e z 0 3 - p 。0 。系统微晶玻璃在5 0 h e ，9 1 0 。4t 的交变磁场作用下，已 有明显的磁热效应。该样品在模拟生理液中能稳定存在且经过一定时间后 可产生h a p ，是一种有希望的磁热治癌生物材料。 1 3 3 2 铁钙硅微晶玻璃 铁钙硅系统微晶玻璃的磁性能良好，并且具有生物活性，其表面可以生 成磷灰石层与骨骼紧密结合，因此用作温热疗法治疗骨肿瘤的热种子非常 有效1 羽。 1 3 3 2 1 主晶相为f e 0 4 的微晶玻璃 杨家宽等1 制备了添加少量b ：o 。和p 2 0 。后的f e 2 0 3 _ c a o _ s i q 体系铁磁微晶 玻璃，并进行了微观结构分析、x r d 分析、磁性检测以及生理模拟液的浸泡 实验实验结果表明，制备的微晶玻璃材料同时具备磁性和生物活性这两 种重要性能不经过核化处理在1 0 0 0 晶化2 h 后能够获得较理想的主晶相 为磁铁矿( f e 。0 4 ) 和次晶相为硅灰石( c a s i 0 3 ) 微晶玻璃，所得微晶玻璃具有 最佳的磁性能。 e b i s a w a 等1 利用熔融法在1 5 5 0 下保温a l h s e j 备了组成为4 0 5 山东大学硕士学位论文 ( f e o f e ：0 3 ) - 6 0 c a o - s i 0 2 ，外加3 b ：0 。，3 p 。0 。( 质量分数) 的基础玻璃，将其埋 入活性炭中以5 c m i n 的升温速度加热到1 0 5 0 保温，得到主晶相为强磁性 磁铁矿( f e 。0 4 ) 的微晶玻璃。这种微晶玻璃的饱和磁化率为3 2 e m u g ，在3 0 0o e 的磁场中的发热量为l o w g 。用这种微晶玻璃作为温热疗法的治疗骨肿瘤的 热种子非常有效。 陈建华等n 6 1 在f e ：o 。一c a o _ s i0 2 一b 2 0 3 一p 。o 。五元系统中制备用于温热治疗 肿瘤的铁磁体微晶玻璃。配合料在1 4 5 0 1 5 5 0 熔制l h ，所得到的玻璃在还 原气氛下于不同的热处理制度下进行晶化处理。实验结果表明：9 0 0 1 2 作为 晶化温度较为适宜，可得到磁铁矿( f e 。0 4 ) 晶粒多而细、晶体含量高、饱和磁 化强度大、矫顽力适中的铁磁体微晶玻璃。 将粒度为1 3 m m 这种微晶玻璃约0 9 9 填放在兔子大腿骨髓部位，置于 频率为l o o k h z 、磁场强度为2 3 8 8 0 a m 的交变磁场下，5 r a i n 以后骨头表面温度 即可达4 2 4 3 ，填放微晶玻璃处的温度达4 5 1 3 3 2 2 主晶相为a f e 的微晶玻璃 k o n a k a 等n 町用超纯的f e ：0 3 ，c a c 0 。和s i o 。三种原料按照组成为1 9 5 f e 籼， 4 0 2 5 l j 6 c a o 和4 0 2 5 s i 0 2 ( 物质的量分数) 的比例配制配合料，用铂金坩埚置 于硅钼高温电炉中1 5 5 0 下保温2 h 后制成基础玻璃。在还原气氛下于6 5 0 1 0 5 0 之间不同的温度下进行热处理，不同温度下热处理后样品的x r d 表明， 8 - c a s i o 。和f e 3 0 4 的析晶温度为6 5 0 ，f e o 和c a f e s i 0 4 的析晶温度为7 0 0 7 5 0 ，a f e 的析晶温度为7 0 0 。经7 0 0 c 热处理后的样品的生热能力最大， 在3 0 0 0 e 和l o o k h z 的交变磁场下为3 w g 。 1 3 3 2 3 含有f e 3 0 的玻璃微珠 k a w a s h i t a 等n 们分别用热等离子体法和液相法制备了含有f e 3 0 , 的玻璃 微珠，将纯的f e 。0 4 粉末用氩气送入流量为9 4 l m i n 的高频热等离子体火焰中 熔化，熔化后的物质落入位于反应器下部的常温纯净水中，筛取其中2 0 3 0 i im 间的产物置于瓷舟内以5 m i n 的速度升温，在4 0 0 6 0 0 c 之间不同的 温度下保温l h ，制得的f e 。0 4 玻璃微珠在3 0 0 0 e 和l o o k h z 的交变磁场中的发热 6 山东大学硕士学位论文 量为l o w g 将f e 舢粉末加入质量分数为1 的6 0 0 m 氢氟酸( h f ) 溶液中，3 0 下保温 并搅拌2 4 h 滤去过量的f e n 粉末，使h f 溶液中的f e 。o | 达到饱和状态。在 饱和溶液中加入平均直径为1 2 4l lm 的二氧化硅玻璃微珠，3 0 下保温并 搅拌，每6 天更换一次饱和溶液到2 4 天为止。制得的f e ，0 4 玻璃微珠在3 0 0 0 e 和l o o k h z 的交变磁场中的发热量为4 1 w g 1 3 3 2 4 主晶相为f e ：仉的微晶玻璃 吴知方等n 3 1 设计的基础玻璃组成范围( 质量分数) 为：2 5 3 0 f e 舡2 0 2 8 c a o 、4 2 4 8 p 舡，选用化学纯的f e p 0 4 2 h 2 0 、f e 2 0 3 、 c a 3 ( p 0 4 ) 。、c a c o 。、( n h 4 ) 。h p 0 4 等原料按设计比例混合均匀，于高温硅钼炉中 1 3 0 0 - - - - 1 4 0 0 下熔融制得基础玻璃。将制备的玻璃试样在5 7 0 5 7 7 下进 行热处理并在模拟生理液中浸泡。经热处理及模拟生理液浸泡后的样品以 x r d 方法确定了主晶相为f e 2 0 3 ，f e 。( p 矾) ：及c a f e 。p o , ，测定了晶化后样品的磁 滞回线。实验表明，试样在交变磁场作用下有明显的磁热效应，经模拟生理 液浸泡后能生成羟基磷灰石( 姒p ) ，是一种有希望的磁热治癌的生物材料。 m u l l e r 等陴1 在氧化气氛下1 4 0 0 。c 熔融制备了c a 0 _ f e 。0 3 一b 舡系统的基 础玻璃，基础玻璃在5 0 0 8 0 0 间经过几小时到几天时间的保温处理得到 微晶玻璃。要获得仅含y f e 2 0 。的微晶玻璃，控制好f e 2 + f e 3 + 的比例十分关键， q f e 舡是一种无磁性却很稳定的相，要提高磁性相的含量不仅要控制好热 处理过程，而且还要对基玻璃的组成进行优化。 1 3 3 2 5 主晶相为n a h f e 。p o , 的微晶玻璃 s i n g h 等2 1 1 研究了以s i 0 2 _ n a 舻f e 2 0 挣p 加b 2 0 。系统玻璃和微晶玻璃 的生物活性和磁学性能，认为这种微晶玻璃可以用于温热疗法的热种子材 料。x r d 分析表明，微晶玻璃的主晶相为n a 3 - , f e 。p o , 和n a 3 c a s i a 磁性测试和 微波响应试验进一步表明这种微晶玻璃完全可能用于温热治疗癌症。 7 山东大学硕上学位论文 1 3 3 3 锂铁磷系微晶玻璃 锂铁磷系统微晶玻璃的磁性良好，l u d e r e r 等曾经制备加入了锂铁氧体 的a l2 l 驴s i 0 2 一p 舡系统玻璃，并通过动物试验研究其热疗功效。国内徐晓虹 也曾制备锂铁磷系统磁性微晶玻璃，并研究了其与骨骼组织结合性能、磁性 机制以及生物降解机制等乜卜锄 1 4 温热疗法的发展前景 从热水加热到微波治疗到磁热材料，经过几十年的发展，温热治癌方法 逐步得到改进与补充完善，有些方法和材料已经被使用在临床医学上，这都 归功于广大科学研究者的不断努力探索。铁磁热种子材料温热治疗这一技 术从被提出到现在已经经历了3 0 多年，刚刚进入研究的黄金时代。温热疗 法治癌材料可以作为热种子材料被植入人体癌症患处附近来直接对其进行 加热，因其具有可以较好控制加热范围、程度和均匀性等优点，温热治癌 材料已成为国内外众多学者的研究对象由于低居里点铁氧体具有安全有 效、自动控温的优点，将会成为研究的热点。但这种材料还存在许多有待解 决的技术难题，主要有材料的发热性不够理想、居里温度不够明显及难以掌 握铁氧体与人体组织的热传导情况等。作为热种子材料的金属材料具有磁 性强的特点，但是金属材料没有生物活性，而有些金属材料对人体还有毒 性，因而要慎重选择合金。这些难题都需要在今后的工作中努力与创新，例 如为了更好的掌握此行热种子材料在人体组织中的热效应，可以在动物试 验和临床试验前进行模拟实验，制作出各项特性与人体组织基本一样的组 织模型，把热种子材料置于其中来更直观的考察h 3 。铁磁性微晶玻璃既具有 一定的磁性，又可以具有生物活性，被植入人体后不必去处，可以长时间 的存在于人体内进行反复加热治疗，减少病人的手术痛苦，是热种子材料 的发展方向。 山东大学硕士学位论文 1 5 问题的提出及研究思路 1 5 1 目前热种子材料存在的问题1 1 1 铁磁热种子材料加热治疗肿瘤技术也存在一些尚需解决的问题： l 、铁磁热种子材料在组织中可能会因为磁场的作用力或其它方面的原 因而移位，影响热疗效果。 2 、有些金属材料对人体有毒性，因而要慎重选择合金或对材料进行表 面处理。 3 、植入的热种子材料为金属时会对一些影像学检查，如磁共振产生干 扰，不宜做这些检查。 4 、材料的生物活性不够，尤其是金属及其合金热种子材料，不能跟人 体组织很好的结合在一起。 5 、不具备药物载体的功能，不能将热疗与化疗很好的结合在一起，影 响整体治疗效果。 1 5 2 本文研究思路 针对目前所用的热种子材料所存在的问题，本文选用具有潜在生物活性 的铁钙硅玻璃系统，通过适当添加五氧化二磷，使玻璃在生理溶液中能够 形成骨组织的成分羟基磷灰石，因而具有生物活性。 采用发泡剂将铁磁性微晶玻璃制成多孔性的组织结构，其中的孔隙可 以作为化学药物的载体，在体内进行缓慢释放药物，达到化疗和热疗的双 重效果。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 研究内容 第二章基础玻璃的制备 2 。1 。1 微晶玻璃的分类 微晶玻璃是通过玻璃在加热过程中进行控制晶化而制得的一种含有大 量微晶体的多晶固体材料，这种方法称为析晶法又称为晶化法，一般包括 形核和晶体长大两个阶段。微晶玻璃的种类很多，若按微晶玻璃原理可分 为光敏微晶玻璃和热敏微晶玻璃；若按外观可分为透明微晶玻璃和不透明 微晶玻璃；若按所用原料不同可分为技术微晶玻璃和矿渣微晶玻璃；若按 微晶玻璃的使用功能来分可分为磁性、耐高温、耐热冲击、高硬耐磨、高 强度、容易机械加工、易化学蚀刻、耐化学腐蚀、低膨胀、零膨胀、低介 电损失等各种微晶玻璃；这种材料具有优异的电学、力学、光学和热学上 的性能，例如它的膨胀系数变化大、机械强度高、化学稳定性和热稳定性 好、使用温度高及坚硬耐磨等。微晶玻璃的结构通常可含5 5 5 8 小于l u m 的 微晶。当组成确定后，微晶的种类、大小、数量和均匀性主要有热处理条 件或相变动力学过程来控制。 晶化法是将配合料在高温炉中熔融成均匀、纯净、透明的基础玻璃体， 玻璃体经退火后再在一定温度下进行核化和晶化，以获得晶粒细小均匀且 整体析晶的微晶玻璃制品。其工艺流程为： 配料一高温熔制一熔体成形一退火一核化一晶化 作为热种子材料的微晶玻璃必须具备三方面的重要性能： ( 1 ) 磁性。微晶玻璃在交变磁场的作用下，通过磁滞生热而有效地加 热病变部位，使癌细胞坏死。 ( 2 ) 生物活性。微晶玻璃粉末在种植入人体后，表面形成了类似骨 组织的磷灰石，将微晶玻璃与骨组织相连，一方面在热疗过程中能准确定 位不会移动到其他地方，另一方面在癌细胞杀死后微晶玻璃不取出来，仍 起到加强被肿瘤削弱的骨组织作用。 ( 3 ) 多孔性。可以加载药物，其比表面积比较大与组织接触面积大， l o 山东大学硕士学位论文 药物直达病灶，药效作用明显。 因此，本研究的主要内容首先要制得以磁铁矿为主晶相的微晶玻璃， 使微晶玻璃能够显示出磁性；该微晶玻璃应具有生物相容性和生物活性， 当植入人体内后能够与人体相融并且能够在生理体液中生长出骨组织，与 人体骨组织结合；采用适当的发泡剂将铁磁性微晶玻璃制成多孔性材料， 可以作为化学药物的载体，起到对化学药物进行缓释作用，起到物理热疗 和化学药物疗法的双重疗效。 磁铁矿( f e 。0 3 是一种磁性很强的氧化物铁磁材料，具有良好的磁滞生 热效应。本研究中的目的是制得以磁铁矿( f e 3 0 4 ) 为主晶相的铁磁性微晶玻 璃。为此，把f e 2 0 3 与具有潜在生物活性的c a 0 一- s i o 。玻璃相结合，当玻璃 组成点落在f e 2 0 3 _ c a o - s i 0 2 三元系统相图的磁铁矿初晶区时，经过适当的热 处理就可制得含磁铁矿晶相的铁磁性微晶玻璃，这种材料具有强磁滞生热 效应但不具有生物活性。研究表明幢1 ，在f e 。o 。弋a 0 - s i 0 。三元系统中添加少 量的b ：0 3 、p 2 0 s $ i 得的铁磁性微晶玻璃的表面形成富磷、钙的磷灰石层和富 硅层，具有优良的生物活性。因此，以f e 。o 。一c a 0 - s i o ：三元系统为基础，可 开发出一系列的多组元微晶玻璃，这些材料的开发为温热疗法治疗癌症奠 定了基础。 本文以铁钙硅体系的铁磁性微晶玻璃，以f e 。o 。- c a o - s i 0 2 三元系统作为 基础玻璃组成，经过熔融、热处理制得铁磁性微晶玻璃。加入适量的b 。q 、 p 。0 5 可以制得同时满足强磁性和良好的生物活性要求的微晶玻璃，利用合理 的工艺使其具有多孔性。利用差热分析确定热处理制度，利用x r d 、电镜等 分析测试手段确定析出晶体的晶型及晶粒大小，从而确定合理的工艺制度 制得以f e 。0 4 为主晶相的铁磁性微晶玻璃。铁磁性微晶玻璃可以将磁滞生热 所需的强磁性与良好的生物相容性相结合，即使长期停留在人体内也无不 良影响。以此体系铁磁性微晶玻璃为基础，制备多孔性的铁磁性微晶玻璃， 这是本文的主要创新点。 山东大学硕士学位论文 2 1 2 基础玻璃组成 本课题以铁钙硅铁磁性微晶玻璃为主要研究体系，由f e , 0 3 - c a 0 一s i 0 2 三元系统( 见图2 一1 ) 设计能析出铁磁性微晶玻璃的基础玻璃组成。从图中选 择有利于磁铁矿晶体析出的组成，f e 2 0 。的含量越高，越有利于磁铁矿的析 出，但f e 。0 3 的含量超过重量百分组成的4 0 就不能形成玻璃了n 1 。因此，基 础玻璃的化学组成必须选择适当 2 1 3 材料的磁性能 爱& ic = o 风q 图2 1铁钙硅铁磁性微晶玻璃形成区域示意图 f i g 2 一lm a g n e t i cg l a s s - c e r a m i c sf o r m i n gs k e t c h m a p o fi r o nc a l c i u ms i l i c o n 适当组成的f e 。0 3 一c a o _ s i 0 2 配合料在1 5 5 0 高温下熔融时，赤铁矿 f e ：0 3 还原成磁铁矿f e 。0 4 ，玻璃中f e 2 + 和f e 3 + 共存。在这个三元系统中， 能形成玻璃( 即在成形时不析晶) 的f e 。0 3 最大含量为4 0 。研究铁钙硅铁 磁性微晶玻璃的制备工艺及f e 3 0 4 晶相的析晶温度。改变玻璃的化学组成、 热处理制度可以控制其晶相含量、晶粒尺寸及磁性质。研究f e 3 0 4 晶相的 析晶温度，制得以f e 3 0 4 为主晶相的的铁磁性微晶玻璃。 2 1 4 材料的生物相容性及生物活性 选用适当的添加剂p ：0 5 提高微晶玻璃的生物活性使其与人体生理环境 相容，并利用c a 0 - s i 0 。一p 2 0 。系玻璃具有的潜在的生物活性，使其在生理体 液中形成羟基磷灰石 c a 。( p 0 4 ) 。o h ，使铁磁性微晶玻璃具有生物活性。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 1 5 多孔性材料的制备 由于温热疗法作用范围有限，单一地利用热种子进行热疗并不能完全 清除癌细胞。为了提高治疗效果，在临床上各种不同的治疗癌症的方法之 间可以互补，采用多种疗法联合使用，如化疗与热疗联合、化疗与放疗联合 等已经被证明是更为行之有效的癌症治疗手段。本课题中选用合适的发泡 剂将铁磁性微晶玻璃材料制成微孔材料，使其具备作为化疗药物载体所必 需的多孔结构，从而可以通过多孔铁磁性微晶玻璃实现化疗和热疗的联合， 对癌细胞起到物理和化学双重治疗的效果。 2 2 基础玻璃的制备 f 磁铁矿是一种磁性很强的氧化物铁磁材料，具有良好的磁滞生热效果， 但是它与金属铁磁材料一样，本身没有生物活性。把f e ：0 3 与具有潜在生物活 性的c a o - s i 0 2 一p 2 0 。玻璃相结合。由f e 舡一c a o - s i o ：三元系统可制得铁磁体性 微晶玻璃，可以同时满足强磁性和良好的生物活性要求。当玻璃组成点落在 这个三元系统相图的磁铁矿初晶区时( 见图2 - 1 ) ，经过热处理会析出磁铁矿 晶相。调整玻璃的化学组成可以使玻璃基质具有良好的生物活性n 3 本次实验中采用了四种基础玻璃的组成，由于形成玻璃的f e 2 0 。质量最 大含量为4 0 ，高于4 0 后不利于形成玻璃n 3 4 1 选定的质量分数如表2 - 1 所 示，采用的原料均为化学试剂，实验所用的原料为分析纯试剂：f e 2 0 3 ( 分 子量1 5 9 6 9 ，天津市科密欧化学试剂开发中心) 、c a c 0 3 ( 分子量1 0 0 0 9 ， 山东莱阳经济技术开发区精细化工厂)、c a 3 ( p 0 4 ) 2 ( 分子量3 1 0 1 8 ，天 津市鑫铂特化工有限公司) 、h 2 8 0 3 ( 分子量6 1 8 3 ，北京化工厂) 和s i 0 2 (