腫瘤熱療用碳納米管熱種子復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、腫瘤熱療當(dāng)前最迫切需要解決的問(wèn)題是如何在所需加熱的組織進(jìn)行均勻的加熱，使其達(dá)到43℃以上的有效治療溫度，但又不引起附近正常組織嚴(yán)重的和永久性的損傷，即如何實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向定位治療。納米科技的飛速發(fā)展為腫瘤熱療開(kāi)啟了新的思路。研發(fā)一種吸波性能優(yōu)異、高產(chǎn)熱率、生物相容性好的新型腫瘤熱療用熱種子材料，實(shí)現(xiàn)微波靶向定位熱療，將為腫瘤的醫(yī)治開(kāi)辟一條高效的新途徑，具有十分重要的科學(xué)意義與實(shí)用價(jià)值。碳納米管(CNTs)是納米材料的典型代表之一，具有良好的

2、吸波性能和熱學(xué)性能，決定了它作為熱種子材料在微波腫瘤靶向熱療中具有廣闊的應(yīng)用前景。 本文圍繞碳納米管熱種子材料的生物學(xué)效應(yīng)、表面修飾、吸波性能以及其在微波的作用下是否具有明顯的熱效應(yīng)，這一主題進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)工作和理論研究，為促進(jìn)熱種子材料的實(shí)用化，同時(shí)制備了具有可注射性的熱療用溫敏凝膠。本論文主要研究?jī)?nèi)容如下： 1、本研究以Wistar大白鼠為研究對(duì)象，主要對(duì)不同尺寸的多壁碳納米管的生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。采用氣

3、管注入和尾靜脈注射兩種方式將直徑為40-60nm多壁碳納米管(40-60MWNTs)和直徑小于10nm的多壁碳納米管(10MWNTs)暴露于大白鼠的體內(nèi)，同時(shí)分別采用納米二氧化硅(SiO2)和乙炔碳黑(Cb)作為陽(yáng)性和陰性對(duì)照。詳細(xì)評(píng)估了MWNTs緩慢注入大白鼠氣管后在肺部產(chǎn)生的毒性及MWNTs進(jìn)入體內(nèi)后對(duì)靶器官的影響。 氣管注入法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)中納米顆粒均不同程度的引起了肺部的損傷，引起肺部損傷嚴(yán)重程度的順序?yàn)椋篊b＞10

4、nm MWNTs＞40-60nm MWNTs＞SiO2。另外，MWNTs對(duì)肺部損傷的程度與劑量呈依賴關(guān)系，當(dāng)在低劑量(1mg/kg)時(shí)，40-60nm MWNTs僅僅對(duì)肺部引起了輕微的炎癥損傷，與空白對(duì)照組幾乎沒(méi)有區(qū)別。隨著劑量的增大，MWNTs對(duì)肺部的損傷越來(lái)越顯著。 尾靜脈注射法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：納米粒子進(jìn)入大鼠體內(nèi)后，大鼠心臟、腎臟、肝臟和胃結(jié)構(gòu)正常，未見(jiàn)明顯的病理?yè)p傷。但是各種納米粒子卻在大鼠肺部沉積，隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，納

5、米粒子一部分被肺巨噬細(xì)胞清除體外，但是殘余的納米粒子引起了肺部的病理學(xué)改變。與氣管注入法相似，商品化MWNTs對(duì)肺部的損傷呈現(xiàn)正的劑量-效應(yīng)關(guān)系。 另外，不同的暴露方式對(duì)靶器官的影響程度不同。在相同的劑量下，采用氣管注入法MWNTs引起的肺部損傷比采用尾靜脈注射法MWNTs引起的肺部損傷要顯著。綜合上述數(shù)據(jù)和結(jié)果，我們可以看出，碳納米管對(duì)人類的身體健康具有潛在的毒性。 2、針對(duì)CNTs潛在的毒性，本文選取羥基磷灰石(HAp)、四

6、氧化三鐵(Fe3O4)和殼聚糖(CS)三種目前公認(rèn)的生物相容性較好的材料，對(duì)CNTs進(jìn)行了表面修飾，在保證CNTs優(yōu)異性能的同時(shí)，提高CNTs的生物相容性，擴(kuò)大CNTs在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。 采用化學(xué)沉淀結(jié)合水熱法成功實(shí)現(xiàn)了HAp對(duì)CNTs的表面修飾。當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％，160℃水熱處理5小時(shí)后，在CNTs的表面可以獲得具有一定微觀形貌、高結(jié)晶度、組分單一的HAp包覆層。 采用化學(xué)沉淀結(jié)合水熱法成功實(shí)現(xiàn)了Fe3O4對(duì)C

7、NTs的表面修飾，F(xiàn)e3O4納米小粒子在CNTs的表面包覆均勻，具有普遍性；包覆Fe3O4后的CNTs具有純Fe3O4相似的超順磁性，當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％時(shí)，其比飽和磁化強(qiáng)度為64.53emu/g，矯頑力為14.03Oe，可以實(shí)現(xiàn)CNTs在磁場(chǎng)中的定向，說(shuō)明我們成功制備了一種新的腫瘤靶向熱療用材料。 采用表面沉積交聯(lián)法，實(shí)現(xiàn)了CS對(duì)CNTs的表面修飾。包覆CS后CNTs的管徑尺寸從40-60nm增加到100nm左右CS均

8、勻的覆蓋在CNTs表面，界面結(jié)合良好。由于CS覆蓋層的靜電排斥作用，使被包裹后CNTs的團(tuán)聚減少。 3、采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試碳納米管復(fù)合材料的電磁參數(shù)，并對(duì)實(shí)測(cè)的電磁參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得反射率R(dB)-f(GHz)曲線，結(jié)果表明： CNTs/HAp復(fù)合材料為典型的電損耗型吸波材料，在0-5GHz范圍內(nèi)具有較好的吸波性能，其中CNTs在其中起到主導(dǎo)作用。隨著CNTs含量的增加，CNTs/HAp復(fù)合材料的吸波能力逐漸增強(qiáng)，

9、吸收峰向著高頻移動(dòng)，頻寬增大。當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％時(shí)，復(fù)合材料的最大吸收峰在3.0 GHz附近，反射率達(dá)-26dB。 Fe3O4對(duì)CNTs包覆起到了調(diào)整CNTs電磁參數(shù)的作用，在原有的介電損耗的基礎(chǔ)上又增加了Fc3O4的磁滯損耗和共振吸收等特性CNTs/Fe3O4復(fù)合材料在0-5GHz范圍內(nèi)具有較好的吸波性能，當(dāng)CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％時(shí)，CNTs/Fe3O4復(fù)合材料的吸收峰在2.2 GHz附近，反射率達(dá)-19dB，頻寬為

10、1G左右，能夠滿足微波熱療用熱種子材料對(duì)吸波性能的要求。 4、通過(guò)進(jìn)行納米材料在微波場(chǎng)中的升溫實(shí)驗(yàn)，我們表征了材料的熱效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 經(jīng)過(guò)HAp修飾后的碳納米管的熱效應(yīng)遠(yuǎn)沒(méi)有原始碳納米管的熱效應(yīng)明顯。隨著CNTs含量的增大，CNTs/HAp復(fù)合材料粉體熱效應(yīng)越來(lái)越顯著。當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞8％時(shí)，其熱效應(yīng)基本上趨于穩(wěn)定狀態(tài)℃NTs/HAp生物復(fù)合材料優(yōu)異的吸波性能和在微波場(chǎng)中具有良好的產(chǎn)熱能力，加上HAp的優(yōu)異的生

11、物相容性，說(shuō)明該復(fù)合材料可以作為微波熱種子材料應(yīng)用于腫瘤熱療。 CNTs/Fe3O4復(fù)合材料在微波輻照下，熱效應(yīng)效果明顯。另外，由于Fe3O4具有很好的磁性能和生物相容性，可以很好的解決熱種子材料在生物體內(nèi)的靶向定位問(wèn)題℃NTs/Fc3O4復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)微波靶向熱療理想的熱種子材料。 5、在殼聚糖-甘油磷酸鈉溫敏凝膠的基礎(chǔ)上成功制備出含有碳納米管復(fù)合熱種子材料的熱療用溫敏凝膠。 流變學(xué)測(cè)試表明：碳納米管復(fù)合熱種子

12、材料(CNTs、CNTs/Fe3O4復(fù)合材料和CNTs/HAp復(fù)合材料)的加入在一定程度上破壞了凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使溫敏凝膠的初始凝膠溫度升高，但是仍然具有溫敏特性。在10℃時(shí)G’＜G”呈現(xiàn)液體的性質(zhì)，在37℃時(shí)，G’＞G”呈現(xiàn)凝膠的性質(zhì)，并且隨著剪切頻率的改變，G’和G”曲線平直，受頻率的影響不大，說(shuō)明37℃時(shí)已經(jīng)形成了完美的穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。 碳納米管復(fù)合熱種子材料在凝膠體系中分布均勻，在微波場(chǎng)中具有良好的產(chǎn)熱能力。25w下輻照

13、10min，當(dāng)CNTs含量為6mg/mL時(shí)，體系溫度在初始溫度基礎(chǔ)上，升高了34.6℃；當(dāng)CNTs/Fe3O4復(fù)合材料的含量為20mg/mL時(shí)，體系溫度在初始溫度基礎(chǔ)上，溫度升高了38.7℃；當(dāng)CNTs/HAp復(fù)合材料的含量為20mg/mL時(shí)，體系溫度在初始溫度基礎(chǔ)上，溫度升高了35℃，說(shuō)明含有碳納米管復(fù)合熱種子材料的溫敏凝膠可以滿足微波熱療的要求。 6、用MTT法檢測(cè)細(xì)胞增殖活力和計(jì)算相對(duì)增殖率。結(jié)果表明：CS溫敏凝膠、CNT

14、s-CS溫敏凝膠、CNTs-Fe3O4-CS溫敏凝膠、CNTs-HAp-CS溫敏凝膠各濃度浸提液的細(xì)胞毒性為0-1級(jí)；采用直接接觸法觀察細(xì)胞與材料共同培養(yǎng)若干時(shí)間的細(xì)胞形態(tài)，結(jié)果表明：CNTs-Fe3O4-CS溫敏凝膠生物相容性良好。形態(tài)學(xué)觀察表明細(xì)胞在凝膠薄膜上具有良好的形態(tài)，細(xì)胞能在薄膜上面粘附、增殖。因此，可以認(rèn)為所制備的熱療用溫敏凝膠無(wú)細(xì)胞毒性，生物相容性良好，為進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。 本文得到國(guó)家自然科學(xué)基金(30540