腫瘤熱療用碳納米管熱種子復合材料的制備及性能研究.pdf

1、腫瘤熱療當前最迫切需要解決的問題是如何在所需加熱的組織進行均勻的加熱，使其達到43℃以上的有效治療溫度，但又不引起附近正常組織嚴重的和永久性的損傷，即如何實現腫瘤靶向定位治療。納米科技的飛速發(fā)展為腫瘤熱療開啟了新的思路。研發(fā)一種吸波性能優(yōu)異、高產熱率、生物相容性好的新型腫瘤熱療用熱種子材料，實現微波靶向定位熱療，將為腫瘤的醫(yī)治開辟一條高效的新途徑，具有十分重要的科學意義與實用價值。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用前景。 本文圍繞碳納米管熱種子材料的生物學效應、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，這一主題進行了一系列的實驗工作和理論研究，為促進熱種子材料的實用化，同時制備了具有可注射性的熱療用溫敏凝膠。本論文主要研究內容如下： 1、本研究以Wistar大白鼠為研究對象，主要對不同尺寸的多壁碳納米管的生物學效應進行了系統(tǒng)的評價。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，同時分別采用納米二氧化硅(SiO2)和乙炔碳黑(Cb)作為陽性和陰性對照。詳細評估了MWNTs緩慢注入大白鼠氣管后在肺部產生的毒性及MWNTs進入體內后對靶器官的影響。 氣管注入法實驗結果表明：實驗中納米顆粒均不同程度的引起了肺部的損傷，引起肺部損傷嚴重程度的順序為：Cb＞10

4、nm MWNTs＞40-60nm MWNTs＞SiO2。另外，MWNTs對肺部損傷的程度與劑量呈依賴關系，當在低劑量(1mg/kg)時，40-60nm MWNTs僅僅對肺部引起了輕微的炎癥損傷，與空白對照組幾乎沒有區(qū)別。隨著劑量的增大，MWNTs對肺部的損傷越來越顯著。 尾靜脈注射法實驗結果表明：納米粒子進入大鼠體內后，大鼠心臟、腎臟、肝臟和胃結構正常，未見明顯的病理損傷。但是各種納米粒子卻在大鼠肺部沉積，隨著暴露時間的延長，納

5、米粒子一部分被肺巨噬細胞清除體外，但是殘余的納米粒子引起了肺部的病理學改變。與氣管注入法相似，商品化MWNTs對肺部的損傷呈現正的劑量-效應關系。 另外，不同的暴露方式對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。綜合上述數據和結果，我們可以看出，碳納米管對人類的身體健康具有潛在的毒性。 2、針對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)三種目前公認的生物相容性較好的材料，對CNTs進行了表面修飾，在保證CNTs優(yōu)異性能的同時，提高CNTs的生物相容性，擴大CNTs在醫(yī)學中的應用。 采用化學沉淀結合水熱法成功實現了HAp對CNTs的表面修飾。當CNTs質量分數為10％，160℃水熱處理5小時后，在CNTs的表面可以獲得具有一定微觀形貌、高結晶度、組分單一的HAp包覆層。 采用化學沉淀結合水熱法成功實現了Fe3O4對C

7、NTs的表面修飾，Fe3O4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CNTs的質量分數為10％時，其比飽和磁化強度為64.53emu/g，矯頑力為14.03Oe，可以實現CNTs在磁場中的定向，說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，實現了CS對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，界面結合良好。由于CS覆蓋層的靜電排斥作用，使被包裹后CNTs的團聚減少。 3、采用矢量網絡分析儀測試碳納米管復合材料的電磁參數，并對實測的電磁參數數據進行計算得反射率R(dB)-f(GHz)曲線，結果表明： CNTs/HAp復合材料為典型的電損耗型吸波材料，在0-5GHz范圍內具有較好的吸波性能，其中CNTs在其中起到主導作用。隨著CNTs含量的增加，CNTs/HAp復合材料的吸波能力逐漸增強，

9、吸收峰向著高頻移動，頻寬增大。當CNTs的質量分數為8％時，復合材料的最大吸收峰在3.0 GHz附近，反射率達-26dB。 Fe3O4對CNTs包覆起到了調整CNTs電磁參數的作用，在原有的介電損耗的基礎上又增加了Fc3O4的磁滯損耗和共振吸收等特性CNTs/Fe3O4復合材料在0-5GHz范圍內具有較好的吸波性能，當CNTs的質量分數為4％時，CNTs/Fe3O4復合材料的吸收峰在2.2 GHz附近，反射率達-19dB，頻寬為

10、1G左右，能夠滿足微波熱療用熱種子材料對吸波性能的要求。 4、通過進行納米材料在微波場中的升溫實驗，我們表征了材料的熱效應，實驗結果表明： 經過HAp修飾后的碳納米管的熱效應遠沒有原始碳納米管的熱效應明顯。隨著CNTs含量的增大，CNTs/HAp復合材料粉體熱效應越來越顯著。當CNTs質量分數＞8％時，其熱效應基本上趨于穩(wěn)定狀態(tài)℃NTs/HAp生物復合材料優(yōu)異的吸波性能和在微波場中具有良好的產熱能力，加上HAp的優(yōu)異的生

11、物相容性，說明該復合材料可以作為微波熱種子材料應用于腫瘤熱療。 CNTs/Fe3O4復合材料在微波輻照下，熱效應效果明顯。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的靶向定位問題℃NTs/Fc3O4復合材料是實現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上成功制備出含有碳納米管復合熱種子材料的熱療用溫敏凝膠。 流變學測試表明：碳納米管復合熱種子

12、材料(CNTs、CNTs/Fe3O4復合材料和CNTs/HAp復合材料)的加入在一定程度上破壞了凝膠的網絡結構，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G’＜G”呈現液體的性質，在37℃時，G’＞G”呈現凝膠的性質，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，說明37℃時已經形成了完美的穩(wěn)定的凝膠結構。 碳納米管復合熱種子材料在凝膠體系中分布均勻，在微波場中具有良好的產熱能力。25w下輻照

13、10min，當CNTs含量為6mg/mL時，體系溫度在初始溫度基礎上，升高了34.6℃；當CNTs/Fe3O4復合材料的含量為20mg/mL時，體系溫度在初始溫度基礎上，溫度升高了38.7℃；當CNTs/HAp復合材料的含量為20mg/mL時，體系溫度在初始溫度基礎上，溫度升高了35℃，說明含有碳納米管復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法檢測細胞增殖活力和計算相對增殖率。結果表明：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胞毒性為0-1級；采用直接接觸法觀察細胞與材料共同培養(yǎng)若干時間的細胞形態(tài)，結果表明：CNTs-Fe3O4-CS溫敏凝膠生物相容性良好。形態(tài)學觀察表明細胞在凝膠薄膜上具有良好的形態(tài)，細胞能在薄膜上面粘附、增殖。因此，可以認為所制備的熱療用溫敏凝膠無細胞毒性，生物相容性良好，為進一步研究打下基礎。 本文得到國家自然科學基金(30540