超顺磁可温控磷酸钙骨水泥的制备及其磁热效应研究

作     者：张开丽 

作者单位：河南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李光大

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：磁性骨水泥 Mn-Zn铁氧体 磁热疗 超顺磁 温控 

摘      要：骨肿瘤术后易复发,磁性骨水泥可在骨修复的同时磁热疗以辅助治疗肿瘤,防止其复发与转移。但是目前所研究的磁性骨水泥,居里温度(Tc)高,在交变磁场下,材料生热会易过度生热而造成灼伤的风险。本研究针对目前磁性骨水泥热疗风险过高的缺陷,用居里温度(Tc)可进行调节的纳米Mn-Zn铁氧体为磁性功能相,以由固相和液相调和而成、在固化前可任意塑形的磷酸钙骨水泥做基体,将纳米Mn-Zn铁氧体引入磷酸钙骨水泥中,制备居里温度更低、磁热疗安全性更高、综合性能更优良的新型磁性骨水泥,并研究其磁热效应。本研究采用共沉淀法制备超顺磁纳米Mn-Zn铁氧体,通过调整铁氧体的化学成分等方式来调控Mn-Zn铁氧体的居里温度与磁性。然后,使用Si O对磁性Mn-Zn颗粒进行改性,将改性后的铁氧体与磷酸钙骨水泥基体复合,制备具有超顺磁性能的复合骨水泥。检测复合骨水泥的晶相组成、化学基团组成、表面形貌、降解性能、磁性、Tc及在交变磁场下的生热能力等性能。以人成骨肉瘤细胞(MG-63)细胞为实验细胞,使用细胞毒性实验(CCK8)、细胞粘附实验、细胞钙结节成骨实验检测材料的体外细胞相容性与成骨潜能。用兔上皮癌VX2细胞系为实验细胞,在交变磁场下将细胞与材料共同磁热疗10 min,检测VX2细胞的存活率,并用台盼蓝染色观察细胞死亡情况,观察材料的磁生热性能对肿瘤细胞的杀伤效应。结果表明,在Mn-Zn铁氧体中加入适量钆和铜元素后成功制备出直径约10-20 nm、Tc约77℃的超顺磁纳米材料。加入Si O改性的Mn-Zn铁氧体约35 wt%的复合骨水泥固化时间约为30 min,抗溃散,可注射,易于实现微创注射治疗。材料在浸泡入模拟体液中14 d后失重率约7%,说明材料具有良好的体外降解性能。材料饱和磁化强度约4.26 A·m·kg,且穆谱结果显示其为双峰结构,说明材料具有超顺磁性。Tc测试表明复合骨水泥Tc约70℃。块体材料在交变磁场下约6 min即可达到升温平衡,且能在材料周围约5 mm范围形成高于40℃的加热圈,表明材料可在实现自控温(70℃)的同时具有优异的磁生热性能。材料对MG-63细胞无细胞毒性,且MG-63细胞可以在材料上粘附、伸展、增殖,说明材料具有良好的体外生物相容性。茜素红染色结果显示,材料浸提液培养的细胞形成的钙结节显著多于对照组,表明复合骨水泥材料具有潜在的成骨能力。体外磁热疗实验结果显示,细胞热疗后存活率为45%,而台盼蓝染色后可观察到在材料的周围形成了约5 mm的蓝色细胞杀死圈,显示出优越的磁热疗能力。本研究所制备的超顺磁磁性骨水泥可实现约在70℃的温控磁热疗,同时具有良好的体外细胞亲和性和成骨性能,是一种具有良好发展前景的骨肿瘤术后修复材料。本研究结果不仅为骨肿瘤术后的辅助治疗提供了新的思路,也为其他相关研究提供了数据支持。