CN101161604A

CN101161604A - 一种铁氧体材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101161604A
Application number: CNA2006101171506A
Authority: CN
Inventors: 姚爱华; 王德平; 黄文旵; 周萘
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-04-16

Abstract

本发明涉及应用共沉淀和冷冻干燥相结合的方法制备能自动控温的特种铁氧体材料。与通常的铁氧体不同之处在于，组成中除了锌、铁、氧，还含有稀土元素钆，其化学成分中氧化锌的含量为17～23wt％，氧化铁含量为68～88wt％，氧化钆含量0～9wt％。本发明方法制得材料的颗粒尺寸为10～30nm，其居里温度Tc在－10～120℃之间可调，在额定功率为8kW的交变磁场发生器作用下，当工作频率设定为60kHz，磁场强度为6.5－7kA/m时，其比产热功率SAR为3.1～10.8W/g。该铁氧体粉体在室温下，呈现铁磁相，在外加交变磁场作用下，成为发热体，能够使自身温度升高到相应的居里温度；当粉体温度超过此温度时，材料由铁磁相转变为顺磁相，不再发热。由于自然冷却，粉体温度下降，当低于居里温度时，又恢复到铁磁相，成为发热体而使自身温度升高。如此循环，可使得粉体的温度被自动控制在其居里温度范围内。

Description

一种铁氧体材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种可用于肿瘤治疗的能自动控温的特种铁氧体材料及其制备方法。

背景技术

铁氧体是一种新型的非金属材料，一种典型的软磁材料，自二十世纪三十年代以来，已被广泛应用于通讯、广播、无线电、计算技术、自动控制、雷达导航、卫星通讯、高速运输等等领域。近年来，随着生物学和医学的高速发展，铁氧体材料在生物医学，特别是肿瘤治疗方面的应用更加引起了人们的广泛关注。目前，纳米铁氧体磁性材料作为一种安全、高效、经济的医用载体，已在癌症研究中表现出广阔的发展空间，同时，铁氧体材料制成的磁性液体的物理栓塞疗法经研究者的深入研究，已在动物实验中取得了显著成果。此外，纳米铁氧体材料用于肿瘤的局部热疗显示出越来越明显的优势，被认为是治疗肿瘤的“绿色”疗法。

肿瘤的磁热疗法是治疗肿瘤的一种有效方法，它是利用肿瘤细胞和正常细胞对热的敏感性不同，通过将磁性纳米粒子注射或植入肿瘤组织，然后在外加磁场的作用下产生热量，再将产生的热量释放给肿瘤组织，由于肿瘤中的血液供给不如正常组织充足，致使肿瘤细胞中热量扩散较慢，结果造成局部温度升高(一般控制在42-47℃之间)，从而达到杀死肿瘤细胞的目的。在磁热治疗肿瘤过程中，除了所用的介入性加热材料——热磁种籽，测温技术也占有相当重要的地位，目前已成为制约其临床应用的难题之一。当前，临床应用的组织内测温方式是采用半导体皮肤点温计，测量皮肤温度再推算出癌组织内的温度，这种方法缺乏准确性。另一种是有损测量，用针尖部装有热敏电阻或热电偶的温度探针刺入癌组织内进行测温，感温点用金属导线与仪表相连，因此易与高频电磁波相互干扰，在仪器开机时，无法测出热磁种籽的发热温度，只能在关机后方能测定。这种侵入性测温不仅准确性差，同时又给患者增加了痛苦。为了解决这一难题，人们尝试利用铁磁材料的居里温度特性以实现对肿瘤组织的自动控温。

居里温度是材料铁磁性或亚铁磁性与顺磁性的转变温度，在此温度以上，由于热运动较强致使自发磁化消失。即原为铁磁相的铁氧体，在交变磁场中温度升高到居里点后自发磁化消失，转变为顺磁相，磁滞损耗也就相应消失，材料不会发热而使温度下降，降至居里点以下时，材料又转变为铁磁相而继续发热，如此循环就达到了自动控温的目的。

近年来，采用磁性纳米粉体的磁热效应治疗肿瘤的研究引起了人们的广泛关注，所采用的纳米粉体多为Fe₃O₄磁粉。如中国专利CN200310106498.1，CN200510041048等公开了具有高磁滞生热能力的肿瘤磁热疗用氧化铁磁粉及其制备方法。此种粉体具有较高的磁滞生热量，且生物相容性良好，是一种较为理想的热磁种籽材料。但其居里温度高达585℃，远远超过了人体所能承受的温度范围，无法利用其居里温度特性实现肿瘤治疗过程中的自动控温、恒温，因此必须外加特殊的测试设备。此外，由于肿瘤位置及病人的身体状况不同，血液流速存在很大差异，考虑到血流散热，需要根据实际情况对热籽的居里温度做出适当调整，而现有热籽无法满足上述需求。在美国专利USP 6993394，System method and apparatus for localized heating of tissue公开了提高加热设备的加热精度，没有提到采用居里温度的特性来控制加热温度；USP 6993394Thermotherapy via a targeted delivery of nano-scale magnetic particles仅公开磁性材料能够局部加热组织，治疗癌病；USP 7074175 Thermotherapy via a targeteddelivery of nano-scale magnetic particles公开了磁性复合材料，用作治疗癌病的方法和设备。但是这些专利都没有公开磁性复合材料成分和它们的组成范围。本专利将明确地公开磁热治癌的特种铁氧体的的成分和组成范围，利用居里温度的特性控制发热体温度的方法；并公开了这种材料的制备方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述热磁种籽的不足，为了克服肿瘤磁热疗过程中测温、控温难的问题，提供一种具有自控温特性，且居里温度连续可调的铁氧体磁粉及其制备方法，这种材料有望作为热种籽用于肿瘤的磁热治疗。

应用于治癌的能自动控温的特种铁氧体材料及其制备方法是采取以下方案实现的：采用化学共沉淀和冷冻干燥相结合的方法制备含钆的特种铁氧体粉体。该粉体在外加交变磁场作用下，能够使自身温度升高，并能使温度自动控制在其居里温度范围内，不仅具有较高的发热量，且其居里温度远低于目前使用的氧化铁的居里温度，与人体的生理温度相匹配。

这种应用于治癌的能自动控温的特种铁氧体材料，组成中除了含有氧化锌、氧化铁，还含有稀土元素氧化物-氧化钆，其化学成分范围：氧化锌的含量为17～23wt％，氧化铁含量为68～82.9wt％，氧化钆含量0～9wt％。制得的锌钆铁氧体粒径在10-30nm，为立方尖晶石结构。

这种应用于治癌的能自动控温的特种铁氧体材料的制备方法：按上述组成范围，将可溶性锌、铁、钆的盐类(例如硝酸盐、或硫酸盐及氯化物)水溶液混合均匀，迅速加入到碱液(例如氢氧化钠、氢氧化钾及氨水溶液)中，使混合溶液的pH高于12，在剧烈搅拌(120～240转/分)下，保持反应温度90～100℃，经0.5～2h反应制得锌钆铁氧体沉淀物，将沉淀产物置于冰水中淬冷，经过滤或离心分离方式得到沉淀产物，然后将沉淀产物经去离子水反复洗涤至中性(pH＝7)，最后经冷冻干燥制成粒径为10-30nm的铁氧体微粉，在中频交变磁场作用下，比产热功率SAR为3.1～10.8W/g。

这种应用于治癌的能自动控温的特种铁氧体材料，在室温下，该铁氧体材料为铁磁相，在外加交变磁场作用下，由于磁滞损耗作用而发热，能够使自身温度升高到相应的居里温度；当粉体温度超过此温度时，材料由铁磁相转变为顺磁相，不再发热。由于自然冷却，粉体温度下降，当低于居里温度时，材料的物相又恢复到铁磁相，又成为发热体而使自身温度升高。如此循环，使得粉体的温度被自动控制在其居里温度范围内。

与其它的铁氧体材料不同，这种应用于治癌的能自动控温的特种铁氧体材料，其特征在于：该铁氧体材料的居里温度可以通过改变组成中钆的含量加以控制，使其在-10～120℃间连续可调，其中钆含量为0.02mol％的铁氧体，居里温度为43-45℃。该组成的铁氧体作为热种籽用于肿瘤的磁热治疗，可以实现治疗过程中的自动控温、恒温，因此解决了治疗过程中测温、控温难的问题。

本发明所提及的特种铁氧体材料具有以下两个特点：(1)可以利用其居里温度效应实现自动控温。铁磁物质自发磁化是由于临近原子间的相互作用，同时原子一直在做热运动，显然热运动要破坏各原子磁矩趋向一致方向。当在居里温度以下，临近原子间的相互作用超过热运动的破坏作用，材料呈现铁磁性，形成一定程度的自发磁化，混乱度较小，熵值较低，此时由于反复磁化过程中的磁滞损耗而产热，使其自身温度升高；当温度继续升高到稍高于居里温度，热运动超过了磁矩取向一致的作用，变为混乱状态，熵值增大，需要吸收热量，导致温度有所下降。当温度低于居里温度后，材料又会转变为铁磁相，又会产热使自身温度升高，如此循环就可以使加热温度保持在居里温度附近。(2)材料的居里温度连续可调。本发明所制备的铁氧体材料具有尖晶石结构(参见附图1)，其居里温度由晶体结构中四面体和八面体两个亚晶格间的超交换作用决定。材料组成中钆的原子磁矩高于铁的原子磁矩，因此随着钆的含量增大，亚晶格间的超交换作用增强，居里温度随之变化。根据这一特性，可以根据实际需要，选用合适居里温度的铁氧体材料。

附图说明

图1是锌钆铁氧体粉体的X射线衍射(XRD)测试结果；

图2是组成为ZnGd_0.02Fe_1.98O₄的锌钆铁氧体纳米粉体的居里温度测试结果；

图3是组成为ZnGd_0.01Fe_1.99O₄的锌钆铁氧体纳米粉体的居里温度测试结果；

图4是组成为ZnGd_0.01Fe_1.99O₄的锌钆铁氧体粉体的透射电镜(TEM)测试

(a)及其图像分析结果(b)；

图5是锌钆铁氧体粉体的居里温度与钆掺杂量的关系曲线；其中阴影区域是适合介入到人体的温度。

图6是铁氧体粉体磁热效应测试装置示意图；

图7是不同质量锌钆铁氧体纳米磁粉的磁滞生热能力测试结果。

实施例

以下结合实施例对本发明作进一步说明。实施例中所采用的药品均为分析纯，购自中国医药集团上海化学试剂公司。

实施例1.居里温度为43-45℃的ZnGd_0.02Fe_1.98O₄铁氧体的制备

分别量取浓度为0.1mol/L的氯化锌水溶液50mL、浓度为0.1mol/L氯化铁水溶液99mL、浓度为0.1mol/L氯化钆水溶液1mL，制成均匀的混合溶液，迅速加入到浓度为5mol/L的50mL氢氧化钠溶液中，在转速为180转/分搅拌下，保持反应温度90℃，经1h反应后，将凝胶状的沉淀产物置于冰水中淬冷，然后将沉淀产物经去离子水反复洗涤至中性(pH＝7)，滤纸过滤、于-48℃下冷冻干燥5h后，制成含钆的铁氧体粉体，其化学成分中氧化锌含量为20wt％，氧化铁含量为78wt％，氧化钆含量为2wt％。用振动样品磁强计，测定其居里温度为43-45℃，如图2所示。在M-T曲线上，斜率最大处做切线与温度轴的交点，即为材料的居里温度43-45℃。

实施例2.居里温度为5～7℃的ZnGd_0.01Fe_1.99O₄铁氧体的制备

分别量取浓度为0.1mol/L的硫酸锌水溶液50mL、0.1mol/L的硫酸铁水溶液99.5mL、0.1mol/L的硝酸钆水溶液0.5mL，制成均匀的混合溶液，迅速加入到浓度为5mol/L的50mL氢氧化钾溶液中，在转速为180转/分搅拌下，保持反应温度90℃，经1h反应后，将凝胶状的沉淀产物置于冰水中淬冷，离心得到沉淀产物，然后将沉淀产物经去离子水反复洗涤至中性(pH＝7)，过滤、于-48℃冷冻干燥5h后，制成居里温度为5～7℃的锌钆铁氧体微粉，化学成分中氧化锌含量为20wt％，氧化铁含量为79wt％，氧化钆含量为1wt％。振动样品磁强计测定其居里温度为5-7℃，如图3所示。

实施例3.居里温度为120℃的ZnGd_0.1Fe_1.9O₄铁氧体的制备

分别量取浓度为0.1mol/L的硝酸锌水溶液50mL、浓度为0.1mol/L的硝酸铁水溶液90mL、浓度为0.1mol/L的硝酸钆水溶液10mL，制成均匀的混合溶液，迅速加入到浓度为5mol/L的50mL氢氧化钾溶液中，在转速为180转/分搅拌下，保持反应温度90℃，经1h反应后，将凝胶状的沉淀产物置于冰水中淬冷，离心得到沉淀产物，然后将沉淀产物经去离子水反复洗涤至中性，过滤、于-48℃冷冻干燥5h后，制成居里温度为120℃的肿瘤磁热疗用锌钆铁氧体微粉，粒径为10-30nm(粉体的形貌及粒径分析见图4)，其化学成分中氧化锌含量为19wt％，氧化铁含量为72wt％，氧化钆含量为9wt％。肿瘤磁热疗用锌钆铁氧体的居里温度与钆掺杂量的关系如图5所示。

实施例4.锌钆铁氧体比产热功率的测定

通常用单位质量的磁性材料在单位时间内产生的热量(比产热功率，简称SAR)来表征磁性材料热效应的大小，计算公式表示为：

SAR＝c(ΔT/Δt)(1)

式中，ΔT/Δt为单位时间内的温度变化，即图3中曲线开始部分的斜率；c为样品的比热，在本实例中，应为铁氧体样品和水混合物的比热，可通过下式计算：

其中，m_铁氧体、c_铁氧体、m_水、c_水分别为铁氧体样品的质量、比热(0.63J/kg℃)，水的质量、比热(4.184J/g℃)。

样品比产热功率的测定采用南京大学仪器厂生产的中频交变磁场发生器，其额定功率为8kW，工作频率设定为60kHz，磁场强度为6.5kA/m，实验装置如图6所示。图中1.中频磁场发生器；2.酒精温度计；3.样品容器(双层真空玻璃管)；4.磁线圈；5.真空。将200毫克ZnGd_0.02Fe_1.98O₄铁氧体样品置于盛有1mL蒸馏水的密封装置内，然后放在线圈中用酒精温度计测量不同时间内的水温变化，水温在到达45℃后不再变化，根据(1)式计算得到该铁氧体微粉的比产热功率为5.3W/g。

实施例5.ZnGd_0.02Fe_1.98O₄铁氧体在交变磁场作用下的温度测定

分别称取质量为50、100、150、200、250和300毫克的ZnGd_0.02Fe_1.98O₄铁氧体粉体，置于装有1mL蒸馏水的样品瓶内，将样品瓶放在实施例4所述的中频磁场发生器的线圈中间，调整磁场频率为60kHz，样品瓶密封后，用酒精温度计测量不同时间内的水温变化，测试结果如图7所示。由于此六个样品的组成相同，因此居里温度相同，但是在居里温度以下，在相类似的散热条件下，试样量越多，获得的平衡温度越高。由图可知，它们在10-15min后，产热与散热达到平衡，之后维持在一个温度范围内。在试样量少时，在比较低的温度下，产热与散热达到平衡，此平衡温度也较低；在试样量多时，发热可能超过散热，平衡温度会升高，但是达到居里温度时，产热停止，致使产热与散热平衡。此时的平衡温度由居里温度来控制。在此实施例证明，试样量超过200毫克，发热量增大，但是其平衡温度均无法超过居里温度。所以，制得的铁氧体材料的最高平衡温度受材料的居里温度所控制，即居里温度能自动控制铁氧体的发热温度。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铁氧体纳米材料，其特征在于：普通的锌铁氧体中含有稀土金属氧化物-氧化钆，其中组成为氧化锌含量为17-23wt％，氧化铁含量为68～82.9wt％，氧化钆含量大于0小于9wt％。

2.根据权利要求1所述的铁氧体材料，其特征在于该材料为粒径10-30nm的微粉，其晶体结构为立方尖晶石结构。

3.根据权利要求1所述的铁氧体材料，其特征在于：该铁氧体材料的微粉，在中频交变磁场发生器，其额定功率为8kW的作用下，当工作频率为55-65kHz，磁场强度为6.5-7kA/m时，其比产热功率SAR为3.1～10.8W/g。

4.根据权利要求1所述的铁氧体材料，其特征在于：其居里温度根据材料组成中氧化钆的含量变化，在-10至120℃范围内连续调节。

5.根据权利要求4所述的铁氧体材料，其特征在于：当铁氧体的组成为氧化锌含量为20wt％，氧化铁含量为78wt％氧化钆含量为2wt％时，居里温度为43-45℃。

6.一种权利要求1所述的铁氧体材料的制备方法，其特征在于：

a)按权利1确定的组成范围，将一定浓度的含锌、铁、钆的盐的水溶液混合均匀，迅速加入碱液中，使混合溶液的pH高于12；

b)在转速为120-240转/分的搅拌下，保持反应温度为90-100℃，经0.5～2h反应制得锌钆铁氧体沉淀物，将凝胶状的沉淀产物置于冰水中淬冷，经过滤或离心得到沉淀产物；

c)然后将沉淀产物经去离子水反复洗涤至中性(pH＝7)，最后在-30至-50℃经充分冷冻干燥，得到铁氧体微粉。

7.根据权利要求6所述的铁氧体材料的制备方法，其特征在于可溶性锌、铁、钆的盐类包括锌、铁、钆的硝酸盐、硫酸盐或氯化物。

8.根据权利要求6所述的铁氧体材料的制备方法，其特征在于所述碱液为：氢氧化钠、氢氧化钾、氨水其中一种或几种水溶液的混合物。

9.根据权利要求6所述的铁氧体材料的制备方法，其特征在于所使用的锌、铁、钆盐溶液中各金属离子浓度为：铁60～67mol％，锌24-40mol％，钆0-4mol％。

10.根据权利要求6所述的铁氧体材料的制备方法，其特征在于所使用的锌、铁、钆盐溶液的浓度在0.05-0.3mol/L之间。

11.权利要求1-5中任一所述的铁氧体材料的用途，其特征在于：其在肿瘤治疗中的应用。