大学生创新创业训练计划项目中期检查表

“大学生创新创业训练计划”项目中期检查表 项目编号：项目名称三维打印磁性载药复合支架材料的研究及其在骨肿瘤术后的应用项目级别国家级 上海市级 校级负 责 人王远雯学 号学 院材料学院指导教师朱敏项目研究起止日期进展情况请在表格末附3000字的项目中期研究报告已取得成果心得体会 （ ）份 调查报告 （ ）份研究或设计方案 （ ）份 图纸 （ ）份实物 （1 ）件 发表论文 （ ）篇软件、著作 （ ）份 发明专利 （ ）项其他专利 （ ）项 竞赛获奖情况：经费使用情况批准经费：10000 元已报销经费：4248 元经费花销名目：化学试剂购买、三维打印相关耗材购买、性能表征测试费用、文献查找及印刷费用、参考书籍购买费用、校外测试交通费项目自评（简要说明）本课题旨在采用三维打印技术，为骨肿瘤病人量身定制,三维磁性Fe3O4纳米颗粒/介孔生物活性玻璃/聚已酸内酯(Fe3O4 / MBG / PCL)载药复合支架材料，用于填充肿瘤组织切除造成的不规则空腔进行原位治疗，促进骨组织再生与重建，并同时担载抗肿瘤药物，结合其磁热效应进行术后抗肿瘤治疗，以清除残余肿瘤细胞，防止骨肿瘤的转移和局部复发。我们已经通过三维打印手段成功制备出一批Fe3O4 / MBG / PCL磁性复合支架，用于骨肿瘤术后组织重建及抗癌治疗，并且表征MBG粉体，Fe3O4纳米颗粒以及Fe3O4/MBG/PCL复合支架的微观形貌、抗压强度以及磁热性能等。具有较强的可行性。按预定计划取得了良好的结果，为后期的实验和完成项目奠定了基石。指导教师中期检查评语项目研究目的明确，可行性很强，且具有一定的创新性。目前进展顺利，按预定计划取得了良好的结果，为后期的实验和完成项目奠定了基石。学生在实验执行过程中群策群力，耐心勤奋，积极思考，并保持与指导教师及时的沟通交流，在发现问题、解决问题的能力上有了很大的提高。负责人签字：朱敏2014年 6 月 30 日请将本表及中期研究报告上传至项目管理平台/cxcyxljh请将成果：获奖、发表论文、专利、著作等扫描件发至：，供学分认定等用。大学生创新创业训练计划项目中期研究报告项目成员： 王远雯，杜晓宇，张由，李天翔，马岩玉，黄婷指导教师：朱敏摘要：本课题旨在采用三维打印技术，为骨肿瘤病人量身定制,三维磁性Fe3O4纳米颗粒/介孔生物活性玻璃/聚已酸内酯(Fe3O4 / MBG / PCL)载药复合支架材料，用于填充肿瘤组织切除造成的不规则空腔进行原位治疗，促进骨组织再生与重建，并同时担载抗肿瘤药物，结合其磁热效应进行术后抗肿瘤治疗，以清除残余肿瘤细胞，防止骨肿瘤的转移和局部复发。此外，系统对支架材料的形貌结构、机械强度、体外生物活性、抗癌药物的传输、磁热能力以及促成骨骼等性能进行研究。关键词：三维打印 磁性纳米颗粒 生物活性玻璃 原位治疗 磁热效应 一、 项目成果简介：1、 通过三维打印手段成功制备出一批Fe3O4 / MBG / PCL磁性复合支架，用于骨肿瘤术后组织重建及抗癌治疗。2、表征MBG粉体，Fe3O4纳米颗粒以及Fe3O4/MBG/PCL复合支架的微观形貌、抗压强度以及磁热性能等。二、 项目进展：我们已经初步完成了MBG粉末和磁性Fe3O4纳米颗粒的制备，并且通过3d打印技术制备了Fe3O4 / MBG / PCL支架。我们还对支架原材料MBG粉末和磁性Fe3O4纳米颗粒的物化性能进行了探究。1、项目目前进度：1.1制备MBG粉体和磁性Fe3O4纳米颗粒MBG粉(Si / Ca / P摩尔比率80/15/5)制备通过使用非离子嵌段共聚物EO20PO70EO20 (P123)作为结构导向剂。4.0克P123，6.7克原硅酸四乙酯(TEOS),1.4 g的Ca(NO3)24H2O,0.73 g的磷酸三乙酯(TEP)和1.0 g 0.5盐酸溶解在60 g的乙醇并在室温下搅拌24 小时。制得的溶胶被引入一个培养皿蒸发引诱自组装(EISA),24小时后干燥的凝胶在600 煅烧5小时后获得MBG粉末。磁性Fe3O4纳米粒子通过共沉淀的方法。5.2克FeCl36H2O,3.825 g FeCl24H2O和0.85毫升盐酸(HCl,36%)溶解在25毫升的超纯水，剧烈搅拌该溶液。与此同时，一滴一滴地加入250毫升氢氧化钠溶液(1.5 M )。上层清液被丢弃后,用超声波降解法，用100ml的超纯水洗涤沉淀。离心分离和洗涤的步骤要重复3次。最后，得到的沉淀在60下真空干燥箱内干燥24小时。1.2通过3d打印技术制备Fe3O4 / MBG / PCL支架在这项研究中,第四代 三维打印机3 d Bioplotter (EnvisionTEC GmbH, Germany)被用来打印3 d支架。在打印支架之前，需要准备可供注射的Fe3O4/MBG/PCL糊状物。首先,MBG粉末和磁性Fe3O4纳米颗粒经过研磨并过400目筛。0.8克Fe3O4 / MBG混合粉末（没有加Fe3O4 的记为MBG，含5% Fe3O4 的记为5 Fe3O4 /MBG , 含10% Fe3O4 的记为10 Fe3O4 /MBG，含15% Fe3O4 的记为15 Fe3O4 /MBG）和0.5 g的PCL完全溶解在2毫升氯仿中。将Fe3O4 / MBG混合粉添加到PCL水溶液(WFe3O4/MBG: WPCL= 62:38),并在室温下快速搅拌,直到混合物形成的糊状物恰好可以用来注射成型。最后,准备好的糊状物放入被固定在3 d Bioplotter印刷设备的聚乙烯注塑盒。 同时,方形块模型(666毫米)加载在Bioplotter CAD / CAM软件上，支架被分层绘制,将糊状物挤压成纤维,共有29层，支架内部设计为0-90方向交替打印的大孔网络结构。施加给注射泵的压力是1.5 - 3.0bar，配药的速度为1.5- 5 mm / s,喷嘴的尺寸是0.25毫米。最后,获得的Fe3O4/ MBG / PCL支架是在37摄氏度的烤箱干燥2天蒸发氯仿得到的。1.3MBG粉、磁Fe3O4纳米颗粒和Fe3O4 / MBG / PCL支架的表征1.3.1实验仪器及过程用Bruker D8 advance获得宽角度的XRD图谱。场发射射扫电镜（FEI Quanta 450）用于观察复合支架微观形貌及结构。MBG的介孔织构观察由透射电子显微镜（JEOL-2010，200kV）完成。用Micromeritics Tristar 3020得到N2吸附-解析等温线。用Brunauer-Emmett-Tellwe(BET)和Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法来确定表面积,孔径分布和孔隙体积。磁化曲线是由Nanjing Nanda LH-3振动样品磁强计绘得。Fe3O4/MBG/PCL支架(666毫米) 的孔隙度用阿基米德原理测量。用水作为液体介质。孔隙度利用该公式计算：P=Wsat-WdryWsat-Wsus100%, Wdry 是Fe3O4/MBG/PCL支架的干重，Wsus 是Fe3O4/MBG/PCL支架悬浮在水中的重量，Wsat 是Fe3O4/MBG/PCL支架完全浸没时排出水的重量。1.3.2实验结论从TEM图像（Fig. 1A）可知，MBG粉末有高度有序的二维六角形介孔通道。宽角度的XRD分析（Fig. 1B）显示MBG粉末没有衍射峰，宽衍射角2 = 1530o表明MBG粉末是无定形的。Fig. 1C 和 D为MBG粉末的N2吸附-解析等温线以及相应的孔隙大小分布。IV等温线与H1型磁滞回线(Fig. 1C)表示,P6mm MBG的介孔结构材料。BET的表面积和孔隙体积在MBG粉末的P / P0 = 0.97 时，分别为403 m2/g和0.49 cm3/g 。MBG粉末的孔隙大小分布使用BJH模型计算,峰值为3.5 nm(Fig. 1D)。5Fe3O4/MBG/PCL, 10Fe3O4/MBG/PCL 和15Fe3O4/MBG/PCL支架被吸附在磁铁的底部没有掉落(Fig. 2(2)，除了MBG/PCL支架，其他支架都有磁性。MBG/PCL, 5Fe3O4/MBG/PCL, 10Fe3O4/MBG/PCL 和15Fe3O4/MBG/PCL支架的孔隙率分别为59.65.6 %, 62.96.7 %,61.75.4 % and 61.75.4 %。MBG/PCL, 5Fe3O4/MBG/PCL, 10Fe3O4/MBG/PCL 和15Fe3O4/MBG/PCL的抗压强度分别为13.11.6 MPa, 13.91.4 MPa, 15.74.0 MPa and 16.61.9 Mpa。Fig. 3为Fe3O4 磁性纳米颗粒，聚已内酯(PCL)以及Fe3O4/MBG/PCL支架的宽角度的XRD图谱，Fe3O4 和PCL的衍射峰可以从图谱中读出，MBG的2 = 1530o 和PCL重合。可以观察到Fe3O4 的衍射强度随Fe3O4 含量的增加而增加。另外，当Fe3O4, MBG 和PCL混合，相结构没有显著的变化，表明Fe3O4, MBG 和 PCL复合物之间几乎不发生化学反应。1.4 Fe3O4/MBG/PCL支架材料的热磁性Fe3O4/MBG/PCL的热磁性由DM100 System (nB nanoScale Biomagnetics, Spain)测得，温度由精密传感器测得。将研磨好的磁性支架材料粉末在分散在水中，使其浓度为10mg/ml。将溶液在磁场强度为180 G频率为409kHz和238kHz的交变磁场下30分钟后会升温，上限温度将达到80。材料从交变磁场吸收能力由SAR指数来衡量。SAR有以下公式得到：SAR=Pm（p为吸收的能量，m为支架粉末的质量）。Fig. 4A为Fe3O4/MBG/PCL 支架材料的磁化曲线，Fe3O4/MBG/PCL拥有极好的磁性行为，因为没有磁滞回线。Fe3O4/MBG/PCL的磁化饱和随Fe3O4 含量的增加而增加。MBG/PCL, 5Fe3O4/MBG/PCL, 10Fe3O4/MBG/PCL 和 15Fe3O4/MBG/PCL 的磁化能力分别为 0, 10.1, 20.2 and 29.0 emu/g。Figure.4B为支架的温度在外加交变磁场下的变化。在交变磁场下，MBG/PCL支架的溶液温度没有改变，5Fe3O4/MBG/PCL, 10Fe3O4/MBG/PCL 和15Fe3O4/MBG/PCL溶液的温度上升很迅速。15Fe3O4/MBG/PCL的溶液温度仅在两分钟内在频率为409kHz磁场强度为180G的交变磁场下由20上升到43。此外，磁性支架的加热率与Fe3O4 的含量正相关。MBG/PCL, 5Fe3O4/MBG/PCL, 10Fe3O4/MBG/PCL 和 15Fe3O4/MBG/PCL 支架的 SAR指数分别为0, 1.4, 2.9 和4.7 W/g2、 已经取得成果2.1通过三维打印手段成功制备出一批可以Fe3O4 / MBG / PCL磁性复合支架，用于骨肿瘤术后组织重建及抗癌治疗。2.2表征MBG粉体，Fe3O4纳米颗粒以及Fe3O4/MBG/PCL复合支架，微观形貌、抗压强度以及磁热性能等。3、预期完成情况我们已经初步完成了MBG粉末和磁性Fe3O4纳米颗粒的制备，并且通过3d打印技术制备了Fe3O4 / MBG / PCL支架。我们还对支架材料MBG粉末和磁性Fe3O4纳米颗粒的物化性能进行了探究。4、存在的问题4.1通过3d打印技术制备Fe3O4/ MBG / PCL支架，3d打印技术目前还不算十分成熟，普及度也不是很广，所以对Fe3O4/ MBG / PCL支架的制备有所限制。此外，3d打印无法进行批量生产，一次只能生产一件样品，无疑是又耗时又费力的。无形之中增加了生产成本，不利于Fe3O4/ MBG / PCL支架的市场普及。4.2在混合物中加入PCL调节供打印磁性支架原料的捏稠度，寻找pcl合适的含量范围，使得磁性支架能够顺利流畅的被3d打印机打印。4.3专业知识的限制，在以后的试验中，我们将对Fe3O4/ MBG / PCL磁性支架的生物性能进行探究。由于我们的组员都是材料出身，对生物方面的知识比较匮乏。我们要查阅大量的相关文献，实验才能进行下去。5、后期计划5.1体外生物活性检测：体外模拟体液（SBF）浸泡特定时间。综合运用SEM、XRD、FT-IR、EDS等表征手段考察Fe基掺杂对MBG生物活性的影响。5.2骨髓基质干细胞共培养：探究复合支架的细胞相容性、细胞存活及增殖情况；通过碱性磷酸酶活性检测和相关成骨基因的检测探究Fe3O4/ MBG / PCL磁性支架对诱导干细胞向成骨方向分化的作用。5.3 Fe3O4-MBG粉体中真空浸渍担载阿霉素，利用UV-Vis分光光度计检测磁性粉体的载药量，对复合支架整体进行体外药物模拟释放实验研究，考察Fe3O4掺杂对MBG载药行为的作用，进一步优化材料合成工艺。5.4考察磁性支架的磁热疗性能。在特定磁场强度条件下，测定肿瘤细胞的存活情况。主要参考文献（5个以内）1 Carnesale PG, Pitcock JA. Tumors. Campbells Opera Orthop. 1980;6:1277-1378.2 Lane JM, Tomin E, Bostrom MP. Biosynthetic bone grafting. Clin Orthop Relat Res. 1999;S107-17.3 Arrington ED, Smith WJ, Chambers HG, Bucknell AL, Davino NA. Complications of iliac crest bone graft harvesting. Clin Orthop Relat Res. 1996;300-9.4 Damien CJ, Parsons JR. Bone graft and bone graft substitutes: a review of current technology and applicati