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现代材料与应用铁钙硅铁磁体微晶玻璃一种治癌生物材料姓名：伍舒宁 学号：08110205 班级：08级建筑学2班摘要：扼要叙述温热疗法治疗癌症的原理，比较详尽地介绍关于作为温热疗法热种子的铁钙硅铁磁体微晶玻璃的组成、形成过程、结构、磁性、生物相容性及治疗癌症试验等方面研究的最新进展。正文：癌症是人类的主要致死疾病之一。长期以来治疗癌症以切除病患部位的外科 手术为主，但是多数人体器官一旦切除就无法再生。常用的化学疗法和放射疗法在杀死癌细 胞的同时又大量伤害了正常细胞，引起很多副作用和并发症。研究发现，肿瘤部位的神经和 血管都不发达，其血流量仅为人体正常组织的1%15%，因而容易被加热。当将癌细胞加热 至43以上时就会死亡，而正常细胞即使被加热到48以上也不会死亡。因此将肿瘤部位加 热到43以上、选择性杀死癌症细胞的温热疗法是一种没有副作用的治疗癌症的有效方法。 人们尝试使用热水、红外线、超声波、微波等方法进行加热，但这些方法都是体外加热，热 能被人体吸收，很难对人体深处的肿瘤进行有效的加热，也难以控制加热的范围、程度和均 匀性，因此临床治疗效果不佳。从80年代初起，开始研究预先在肿瘤部位注入 或植入铁磁体材料热种子，在交变磁场的作用下，通过磁滞生热加热肿瘤部位，使癌细胞坏 死，而正常细胞却不受伤害，在动物身上对骨癌、肾癌、脑癌、乳腺癌等癌症进行大量试验 研究以后证明，这种方法定位准确、加热均匀、控温方便、安全可靠1、2。现在 这种方法已经开始用于临床治疗癌症。 但是通常的铁磁体材料一般都不具备生物活性，用于温热疗法时，必须在用交变磁场加热前 后用外科手术的方法将热种子植入或除去，这显然是很不方便，也给患者带来很大痛苦。而 铁磁体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，已报道的用于温热治疗癌症的铁磁体微晶玻璃有锂铁磷系统和 铁钙硅系统等，其中铁钙硅铁磁体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。本文着重介绍这一体系的研究近况。 1.铁钙硅微晶玻璃的组成、形成过程和结构 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Fe2O3与具有潜在生物活性的CaO-SiO2玻璃相结合， 由Fe2O3-CaO-SiO2三元系统可制得铁磁体微晶玻璃，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1)，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。 调整玻璃的化学组成可以使玻璃基质具有良好的生物活性。 适当组成的Fe2O3-CaO-SiO2配合料在1550高温下熔融时，Fe2O3还原成Fe3O 4，玻璃中Fe2+和Fe3+共存。在这个三元系统中，能形成玻璃(即在成形时不析晶)的Fe2O3最大含量为40%。对于组成为40Fe2O3-60CaO.SiO2(wt%，下同) 的微晶玻璃A进行热处理时，在600开始析出磁铁矿(Fe3O4)晶相，950时磁铁矿晶相 的含量达到最大值(36%)。温度继续升高，因磁铁矿转变为赤铁矿(-Fe2O3)，其含量 逐 渐减少。-硅灰石(-CaO.SiO2)在700左右开始析出，800以上其含量维持不变。 在700热处理的晶粒尺寸为6nm，950的为35nm，1100的为110nm3。 对于组成为40Fe2O3-20CaO*40SiO2微晶玻璃B的研究发现，其晶核形成速度最高的温 度为700，最大晶核形成速度为(68.67)106/mm3.s；其晶体生长速度最高的温度 为1000，最大晶体生长速度为9.0nm/min1/2，磁铁矿的最大含量为36%左右，晶体 生长是由扩散机理所控制的。 2.磁性、磁滞生热及治癌研究 铁钙硅铁磁体微晶玻璃的特点是其中含有相当数量的Fe3O4，使玻璃具有磁性。它的饱 和磁化强度(Ms)和矫顽力(Hc)开始都随着热处理温度的提高而增大，此后继续升高温度 时又减小。当测定磁场强度为796kA/m时，微晶玻璃A的饱和磁化强度由600的1310-3Wb/m2增大至950的20810-3Wb/m2，此后随着处理温度的提高而减小。 这主要是因为磁铁矿晶相含量随热处理温度变化所致。矫顽力由700的1592A/ m增大到950的39.8kA/m，此后变小。这是因为在950以下时，晶粒尺寸小于40nm ，晶粒内形成一个有序的单一磁畴，晶粒尺寸越大，其矫顽力越大。当温度高于950，晶 粒尺寸大于40nm以后，晶粒中磁畴的数目随晶粒尺寸的增大而增多，使矫顽力减小。用外推 法得出这种微晶玻璃含100%磁铁矿时饱和磁化强度为58510-3Wb/m2，与资料所报 道的组成为Fe3O4的磁铁矿的59710-3Wb/m2非常接近。而其矫顽力却远远高 于由溶液制备得的磁铁矿粉末的15920A/m。这是因为微晶玻璃内存在较大的内应力，阻碍了 磁矩转动。另外磁铁矿晶粒被非磁性的硅灰石和玻璃基质所隔开，这些都使其矫顽力提高。 微晶玻璃B在700核化60min后，再在1000下晶化4h的饱和磁化强度最大，在最大磁场强 度为800kA/m的磁场下测得其为212.110-3Wb/m2。在700核化60min再在1050 晶化4h的矫顽力为30.8kA/m，相应的晶粒尺寸为55nm。 铁磁体微晶玻璃的磁滞生热量与磁滞回线的面积和交变磁场的频率成正比。微晶玻璃B在100 0晶化的磁滞生热功率最大，为1493W/m3。另外，磁滞生热量还与 磁场强度有关，磁场强度为796kA/m时，微晶玻璃A在950晶化的磁滞生热量最大，而磁场 强度为23880A/m时，850晶化的磁滞生热量最大。 由于在铁钙硅铁磁体微晶玻璃中的CaO-SiO2玻璃基质中残留有少量的Fe2O3，因而这 种微晶玻璃没有生物活性，在这个系统中添加少量B2O3、P2O5可以改善其生物相容 性(见下文)。组成为40Fe2O3-60CaO*SiO2-3B2O3-3P2O5的微晶玻璃C，在10 50下晶化以后得到晶粒尺寸为200nm、磁铁矿含量为36%的微晶玻璃。在796kA/m的磁场强 度下测得其饱和磁化强度为20810-3Wb/m2，矫顽力为9542A/m。磁铁矿晶粒均匀 分布在-硅灰石和CaO-SiO2-B2O3-P2O5玻璃基质中，既有强磁性又有生物活性 。 将粒度为13mm这种微晶玻璃约0.9g填放在兔子大腿骨髓部位，置于频率为100kHz、磁场强 度为23880A/m的交变磁场下，5min以后骨头表面温度即可达4243，填放微晶玻璃处的温 度达45，并能维持这一温度。 把癌细胞移植到兔子的大腿骨髓部位，两周以后在癌细胞大量繁殖的时候，往骨髓中插入一 根直径为3mm、长度为50mm的这种微晶玻璃针。将其置于100kHz、23880A/m的交变磁场中50m in，进行温热治疗。3周以后拍摄的X射线照片显示：不进行任何治疗和只插入微晶玻璃针 但未加交变磁场的情况相同，都是肿瘤长大，骨骼坏死；而进行了上述温热治疗以后，骨髓 处的癌细胞全部杀死，骨头恢复原来的形状和功能2(见图9)。另外 ，有资料认为铁磁体材料产生的磁场能加速新骨的形成。 3生物相容性 对微晶玻璃生物相容性的研究表明，在体液的作用下，其中的硅灰石及玻璃体中的硅酸盐溶 解下来以后与体液中的磷酸盐进行化学反应，在微晶玻璃表面形成一层磷灰石层，从而使其 与骨头牢固结合。对不含P2O5的CaO-SiO2玻璃与含有P2O5进行的对比试验更证实 了玻璃中有无磷酸盐对玻璃与骨头的结合强度没有影响，都会在玻璃与骨头的界面上生成磷灰石层，HSiO3-离子作为磷灰石核化的起始晶核，起着促进磷灰石析出的作用。 在48.3CaO-51.2SiO2玻璃中添加各种离子后进行的生物相容性研究中，把各种组成的CS玻 璃植入兔子的胫骨，于8周和25周以后进行解剖研究。研究发现添加3%Fe2O3的CS玻璃即使25周以后与骨头之间仍存在间隙。而在CS中分别添加了3%P2O5、B2O3、Na2O或6%CaF2玻璃，8周以后就与骨头发生键合，在其与骨头之间生成富硅的过渡层和富磷、钙 的磷灰石中间层。根据剥离试验结果(Failure loads measured by detachment test)表明 ，8周后添加P2O5、B2O3或CaF2的玻璃的结合强度比较大，并几乎相同，而添加N a2O的玻璃结合强度很小。25周后添加B2O3玻璃的结合强度增大，而添加P2O5、C aF2的结合强度反而减小。添加Al2O3和Fe2O3的玻璃均没有结合强度。 在3Fe2O3-100CaO*SiO2的组成中分别添加3%的P2O5、B2O3、Na2O或同时 添加 两种氧化物制成玻璃试样，放在模拟体液中进行试验。结果表明，不添加其它氧化物的FeCS 玻璃在模拟体液中浸泡20天以后其表面不形成磷灰石层，其表面组成几乎不变。而添加了其 它氧化物的玻璃20天内都先后在表面形成富磷、钙的磷灰石层和富硅层。根据其表面出现磷 灰石层的时间顺序和20天以后生成的磷灰石层和富硅层的厚度，其形成磷灰石的速度次序为 ： FeCS+PFeCS+NaFeCS+BFECS+NaBFeCS+NaPFeCS+BP 由此证实，在Fe2O3-CaO-SiO2三元系统中添加少量的B2O3、P2O5制得的铁磁 体微晶玻璃可以具有良好的生物活性，从而为由Fe2O3-CaO-SiO2-B2O3-P2O5 五 元系统制得既有强磁性又有生物活性、可用于温热治疗癌症的铁磁体微晶玻璃奠定了基础。 4结束语 铁磁体微晶玻璃由于能在很大范围内改变其化学组成、制造工艺和热处理制度，得到物理性质、化学性质、生物化学性质都能满足温热治疗癌症要求，因而特别适用于治疗某 些处于人体深处并且不能用手术切除的癌症，如骨癌、脑癌等。并且，它还可以作为其它癌 症 治疗方法的辅助治疗手段，例如辅助放射治疗可以降低杀死癌细胞所需的放射线剂量，用于 手术前后的辅助治疗等等。相信随着这种材料的进一步研究开发和试验应用，一定会对人类 征服癌症起重要作用。参考文献：1Krell J. Die Konsistenz Von Zementleim. Mortel und Beton M .1985. 2Schulze W. Der Baustoff BETON und Seine TechnologieM. 1961.