CN102557527B - 一种温控磁性骨水泥及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种温控磁性骨水泥及制备方法，称取FeCl3·6H2O、ZnCl2和MnCl2·4H2O并按Mn0.15Zn0.85Fe2O4的化学计量比配料，加入超纯水配成溶液，反应后得到锰锌铁氧体前驱体，锰锌铁氧体前驱体煅烧后得到锰锌铁氧体粉体，在锰锌铁氧体粉体中加入含有过氧化苯酰的球状聚甲基丙烯酸甲酯颗粒粉剂，混合均匀后再加入含有二甲基巯基丙酸的甲基丙烯酸甲酯，调和制得产品。本发明制得的骨水泥，居里温度约50°C，在外加交变磁场下含不同比例锰锌铁氧体的磁性骨水泥均可以实现从37°C升温到50°C并恒定在此温度，实现了温控性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物医用材料，具体的说是一种温控磁性骨水泥及制备方法。
背景技术
骨肿瘤的术后复发问题是困扰医学界的一大难题。骨肿瘤复发不仅使患者经受更多的痛苦，甚可威胁生命。由于骨肿瘤的复发问题，人们对原本只有骨修复和重建功能的骨修复材料提出了肿瘤治疗功能的要求。骨水泥一种被临床广泛使用的骨科修复材料，其一般由固相和液相混合而来，具有可以临床任意赋形，操纵方便，性能好等优点。
磁热疗利用磁性物质在交变磁场下可以将外加磁场能量转换成热能的特点，将磁感应介质材料适形植入或导入到患者的肿瘤部位，外加适当交变磁场，可加热肿瘤区，利用肿瘤细胞和组织比正常细胞和组织对热更敏感的特点（癌细胞在42℃以上就会死亡，而正常细胞可抗热到48℃左右），达到高靶向性治疗的目的。磁感应热疗具有操作简单，成本低廉，安全性高，副作用小等特点，并且磁感应介质一经植入，可重复多次热疗，所以特别适合治疗处于身体深处的骨肿瘤。而开发具有磁性的骨水泥是骨科材料的一个热点研究方向。
在磁热疗过程中，治疗区域的温度控制至关重要。若加热温度过低会起不到热疗的目的，而若温度过高，就会加热到正常的组织，引起旁边正常的肌肉或神经等组织过热坏死。所以在热疗时实现热疗温度的控制，才能为确保治疗的安全性和有效性。其中过热是一个必须要防止的现象。但是目前所研究的磁性骨水泥材料几乎都没有设计温控功能。在实际使用的时候就需要使用其他的温控装置对温度实行测量和控制，操作繁琐。
对磁性材料而言，会存在居里温度特性，当温度高于居里温度时材料的磁性消失，而不再能磁感应加热。但是目前开发的磁性骨水泥中起磁感应的物质几乎全是四氧化三铁，四氧化三铁虽然有较高的磁生热能力，但是其居里温度非常高，达到了约590℃，以四氧化三铁为磁性晶相的骨水泥非常容易过度加热。
发明内容
本发明为解决现有磁性骨水泥容易过度加热的问题，提供了一种温控磁性骨水泥及其制备方法，该骨水泥具有良好的细胞相容性，居里温度约50℃，当温度达50℃时，材料即停止加热，而温度低于该温度时可以实现再度加热，保证适宜温度，同时防止热疗过程中发生过热现象，提高磁热疗的安全性。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种温控磁性骨水泥及制备方法，包含以下步骤：
一）锰锌铁氧体的制备
1）分别称取FeCl3·6H2O、ZnCl2和MnCl2·4H2O并按Mn0.15Zn0.85Fe2O4的化学计量比配料，加入超纯水，配成金属离子浓度为0.3mol/L的溶液，在90℃的恒温条件下反应4h；
反应过程中，在3000rpm的搅拌速度下往溶液中滴加浓度为1mol/L的NaOH溶液以控制反应溶液的pH值为10；
2）将步骤1中反应后产生的沉淀用超纯水洗涤并在6000rpm转速下离心分离，分离后的沉淀在温度60℃、压强0.09-0.093MPa的条件下烘干，得到锰锌铁氧体前驱体，备用；
3）将所获得的锰锌铁氧体前驱体在温度450℃、压强0.09-0.093MPa的条件下煅烧1h，即获得锰锌铁氧体粉体；
二）温控磁性骨水泥的制备
4）骨水泥基质的制备：
取球状聚甲基丙烯酸甲酯颗粒粉剂，经筛分后，选取粒度小于200目的球状聚甲基丙烯酸甲酯颗粒粉剂，然后在其中加入过氧化苯酰，混合均匀制得固相骨水泥基质，备用；
所述的球状聚甲基丙烯酸甲酯的平均分子量为270kDa；
所述的过氧化苯酰的加入量为固相骨水泥基质总重量的4 %；
另取甲基丙烯酸甲酯单体，在其中加入二甲基巯基丙酸混合均匀后制得液相骨水泥基质；
所述的二甲基巯基丙酸的加入量为液相骨水泥基质总重量的2 %；
5）取步骤3中制得的锰锌铁氧体粉体加入到步骤4中的骨水泥固相基质中混合均匀，制得骨水泥混合料；然后按照重量比为1:1的比例在骨水泥混合料中加入步骤4中的骨水泥液相基质，然后使用不锈钢刀调和3min即制得产品；
其中，锰锌铁氧体粉体的加入量为最终产品总重量的40%-60%。
本发明中，FeCl3·6H2O、ZnCl2和MnCl2·4H2O在溶液中反应时，会造成溶液pH值的变化，因此需要滴加氢氧化钠溶液来使其pH值稳定在10。
本发明中，制得的锰锌铁氧体前驱体煅烧时的升温速度为5℃/min。
有益效果：聚甲基丙烯酸甲酯是目前临床上广泛使用的骨水泥，本研究在聚甲基丙烯酸甲酯中掺入分子式为Mn0.15Zn0.85Fe2O4的锰锌铁氧体，制备可温控的磁性骨水泥。研究表明该骨水泥固化时间在10-25min左右，符合临床上对骨水泥固化操作时间8-30min的要求；抗压强度在83.6-98Mpa左右，与皮质骨的抗压强度接近；MTT实验表明，材料拥有良好的细胞相容性；居里温度测试表明材料的居里温度约50°C，在外加交变磁场下含不同比例锰锌铁氧体的磁性骨水泥均可以实现从37°C升温到50°C，且不随时间的增加继续升温，而是恒定在此温度，实现了温控性能。Akihiko Matsumine等的实验研究表明，磁性材料温度达到50°C时，可以使骨组织表面的温度以达到对热疗有效的43°C左右，同时又不会使周围的组织受影响。本研究的材料磁生热检测磁场强度与其相似，而材料的居里温度约为50°C，所以本研究设计的材料应对实现温控热疗治疗骨肿瘤会具有有益效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
一种温控磁性骨水泥，其制备步骤如下：
一）锰锌铁氧体的制备
1）分别称取FeCl3·6H2O、ZnCl2和MnCl2·4H2O并按Mn0.15Zn0.85Fe2O4的化学计量比配料，加入超纯水，配成金属离子浓度为0.3mol/L的溶液，在90℃的恒温条件下反应4h；
反应过程中，在3000rpm的搅拌速度下往溶液中滴加浓度为1mol/L的NaOH溶液以控制反应溶液的pH值为10；
2）将步骤1中反应后产生的沉淀用超纯水洗涤并在6000rpm转速下离心分离，分离后的沉淀在温度60℃、压强0.09-0.093MPa的条件下烘干，得到锰锌铁氧体前驱体，备用；
3）将所获得的锰锌铁氧体前驱体在温度450℃、压强0.09-0.093MPa的条件下煅烧1h，即获得锰锌铁氧体粉体；
二）温控磁性骨水泥的制备
4）骨水泥基质的制备：
取球状聚甲基丙烯酸甲酯颗粒粉剂，经筛分后，选取粒度小于200目的球状聚甲基丙烯酸甲酯颗粒粉剂，然后在其中加入过氧化苯酰，混合均匀制得固相骨水泥基质，备用；
所述的球状聚甲基丙烯酸甲酯的平均分子量为270kDa；
所述的过氧化苯酰的加入量为固相骨水泥基质总重量的4 %；
另取甲基丙烯酸甲酯单体，在其中加入二甲基巯基丙酸混合均匀后制得液相骨水泥基质；
所述的二甲基巯基丙酸的加入量为液相骨水泥基质总重量的2 %；
5）取步骤3中制得的锰锌铁氧体粉体加入到步骤4中的骨水泥固相基质中混合均匀，制得骨水泥混合料；然后按照重量比为1:1的比例在骨水泥混合料中加入步骤4中的骨水泥液相基质，然后使用不锈钢刀调和3min即制得产品；
其中，锰锌铁氧体粉体的加入量为最终产品总重量的50%。
取制得的温控磁性骨水泥，检验其各项指标方法如下：
一、固化时间；
取固相粉末与液相搅拌3min后，移入Ф9×5mm模具内，压平，置于相对湿度100%，37℃恒温箱内、400N负荷下，将一个针尖直径为 1mm 的不锈钢针扎水泥柱面，至负载停止下移为水泥固化时间。取5个样，求平均值,。
二、抗压强度；
取固相粉末与液相搅拌3min后，将样品制成两端平整的Ф4×8mm圆柱状试样，待样品固化后将其在相对湿度100%的37℃恒温箱内养护72h，使用SHIMADZU SES-1000测试其抗压强度，载荷900N，加压速度1mm/min。每组选取5个无损试样，测试其平均值。
三、晶相组成；
将材料磨成细粉，采用X晶相衍射仪（X'Pert Pro MPD X，Philips）检测其晶相组成，扫描步长0.06°/s。
四、磁性测试及磁热性能检测；
将材料磨成长6毫米、直径3毫米的小柱，使用振动样品磁强计（Lake shore7410）检测其磁性；将材料制成Ф9×9mm的圆柱，在固化前***玻璃温度计，待固化后将材料置于高频感应线圈中，频率100kHz，磁场大小25K A·m-1，每5min记录一次温度，测试其在交变磁场下随时间的升温曲线，观察其升温能力。
五、材料居里温度的测定；
采用降温法测定材料的居里温度。将试样置于均匀冷却***中，让其分别在加磁场和不加磁场的情况下降温，记录下试样的冷却曲线，2条曲线分离点所对应的温度可视为试样大致的居里温度。
六、细胞毒性测试；
将材料用37°C环氧乙烷消毒，再将材料以 200：1的质量体积比(mg／mL)加入LG—DMEM的培养液中，37°C 孵育24 h，将上述悬浊液高速离心，上清液以 0.22 um的滤纸过滤消毒，以0.1 M的盐酸溶液调整pH值到7.4±0.5，得到的浸提液加入 10％ FBS作为初始浸提液，初始浸提液被GM培养液稀释2倍后用于之后的细胞实验；取复苏后的生长最为旺盛的第三代细胞ROS17/2.8（大鼠骨肉瘤成骨样细胞）细胞接种（密度为5×104个/ml）24孔培养板内，24 h细胞贴壁后吸出原来的培养液，加入对应稀释数的浸提液200 uL代替，以 GM培养液作为对照组，细胞培养ld、3d和5d后，1、3、5d各取一培养板加入MTT溶液（5mg/ml）40μl，37°C下继续培养4h，终止培养，小心吸弃孔内培养上清液，每孔加入420μl DMSO，振荡10min，使结晶物充分溶解，吸取每孔中液体200μl到96孔平底板内，然后选择570nm波长，在酶联免疫检测仪上测定各孔吸光度值，记录结果。做3个平行样 (P<0.05)。
对制得的温控磁性骨水泥采用上述方法检测其性能，结果为：其固化时间为12±2min，力学强度为98.1±5.3Mpa，有望用于承重部位骨修复治疗；XRD研究显示，材料的主要成分为聚甲基丙烯酸甲酯和锰锌铁氧体；使用振动样品磁强计测得材料在1.59×106 A·m-1的饱和磁化强度为2.96A·m2·kg-1；降温法测得材料的居里温度为50°C左右；在100kHz，25K A·m-1的交变磁场下可以看到材料有良好的升温能力，在37°C基础温度上，经过25min左右，材料能实现13°C的升温，达到50°C左右，达到该温度后，材料的温度恒定在50°C左右，体现了温控功能。细胞实验表明，材料具有良好的细胞相容性。
实施例2
锰锌铁氧体的制备和骨水泥基质的制备均如实施例1所示。
取锰锌铁氧体粉体加入到骨水泥固相基质中混合均匀，制得骨水泥混合料；然后按照重量比为1:1的比例在骨水泥混合料中加入骨水泥液相基质，然后使用不锈钢刀调和3min即制得产品；
其中，锰锌铁氧体粉体的加入量为最终产品总重量的40%。
对制得的温控磁性骨水泥采用实施例1中的实验方法检测其性能，结果为：测得其固化时间为10±1min，力学抗压强度91.1±3.7Mpa；使用振动样品磁强计测得材料在1.59×106 A·m-1的饱和磁化强度为1.97A·m2·kg-1；在37°C的基础温度下，在交变磁场下可以实现升温，最后稳定在50°C左右；MTT实验表明，材料具有良好的细胞相容性。
实施例3
锰锌铁氧体的制备和骨水泥基质的制备均如实施例1所示。
取锰锌铁氧体粉体加入到骨水泥固相基质中混合均匀，制得骨水泥混合料；然后按照重量比为1:1的比例在骨水泥混合料中加入骨水泥液相基质，然后使用不锈钢刀调和3min即制得产品；
其中，锰锌铁氧体粉体的加入量为最终产品总重量的60%。
对制得的温控磁性骨水泥采用实施例1中的实验方法检测其性能，结果为：测得其固化时间为25±2.5min，抗压强度83.6±4.2Mpa；使用振动样品磁强计测得材料在1.59×106 A·m-1的饱和磁化强度为3.15A·m2·kg-1；在37°C的基础温度下，在交变磁场下可以实现升温，最后稳定在50°C左右；MTT实验表明，材料具有良好的细胞相容性。
Claims (1)
1.一种温控磁性骨水泥的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
一）锰锌铁氧体的制备
1）分别称取FeCl3·6H2O、ZnCl2和MnCl2·4H2O并按Mn0.15Zn0.85Fe2O4的化学计量比配料，加入超纯水，配成金属离子浓度为0.3mol/L的溶液，在90℃的恒温条件下反应4h；
反应过程中，在3000rpm的搅拌速度下往溶液中滴加浓度为1mol/L的NaOH溶液以控制反应溶液的pH值为10；
2）将步骤1中反应后产生的沉淀用超纯水洗涤并在6000rpm转速下离心分离，分离后的沉淀在温度60℃、压强0.09-0.093MPa的条件下烘干，得到锰锌铁氧体前驱体，备用；
3）将所获得的锰锌铁氧体前驱体在温度450℃、压强0.09-0.093MPa的条件下煅烧1h，即获得锰锌铁氧体粉体；
二）温控磁性骨水泥的制备
4）骨水泥基质的制备：
取球状聚甲基丙烯酸甲酯颗粒粉剂，经筛分后，选取粒度小于200目的球状聚甲基丙烯酸甲酯颗粒粉剂，然后在其中加入过氧化苯酰，混合均匀制得固相骨水泥基质，备用；
所述的球状聚甲基丙烯酸甲酯的平均分子量为270kDa；
所述的过氧化苯酰的加入量为固相骨水泥基质总重量的4 %；
另取甲基丙烯酸甲酯单体，在其中加入二甲基巯基丙酸混合均匀后制得液相骨水泥基质；
所述的二甲基巯基丙酸的加入量为液相骨水泥基质总重量的2 %；
5）取步骤3中制得的锰锌铁氧体粉体加入到步骤4中的骨水泥固相基质中混合均匀，制得骨水泥固相混合料；然后按照重量比为1:1的比例在骨水泥固相混合料中加入步骤4中的骨水泥液相基质，然后使用不锈钢刀调和3min即制得产品；
其中，锰锌铁氧体粉体的加入量为最终产品总重量的40%-60%。
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