CN101810858A - 具有磁性和放射性的微晶玻璃微球、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种具有磁性和放射性的微晶玻璃微球、制备方法及其应用。该微晶玻璃微球主要由含有放射性核素铁-59、钇-90和/或磷-32的玻璃相及有磁热效应的Fe3O4微晶相构成。经中子堆照处理后，微晶玻璃微球中含有的放射性核素铁-59、钇-90和/或磷-32等能够在体内放射出β射线及其它高能射线，杀死介入周围组织的肿瘤细胞，并且不会对健康组织造成损伤。Fe3O4微晶具有良好的磁滞放热性能，能够在外加交变磁场作用下将体外的磁能转变为热能，在较短时间内使肿瘤周围区域温度升高，杀死肿瘤细胞，实现体内放射与温热疗法相结合治疗肿瘤的目的。本发明具有良好的化学稳定性和生物相容性，在治疗恶性肿瘤方面具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种具有磁性和放射性的微晶玻璃微球、制备方法及其应用。
背景技术
癌症是目前世界上致死率最高的疾病。据世界卫生组织报道，2007年癌症死亡人数达790万(约占所有死亡数的13％)。治疗肿瘤的方法有化学药物治疗、放射线疗法、手术切除以及热疗法，然而这些方法都有一定的局限性，如普通的化学药物疗法缺乏特异性，目前也没有治疗肿瘤的特效药物；而且在数次使用化学药物治疗后，肿瘤细胞提高了耐药性，继后的药物治疗效果将锐减。而传统的体外放射线疗法以及全身射频热疗在杀死肿瘤细胞的同时，也对正常细胞造成了伤害；手术切除则给病人带来生理和心理上的痛苦。因此，如何选择性地杀死肿瘤细胞而对正常细胞机体组织没有损伤，是患者和医生等多年来一直追求的目标。
内辐射微球是一类含放射性核素的微粒，其直径在15～100μm之间，是放射源的载体。微球发出的射线只杀伤癌细胞，而不会损伤正常的组织细胞。80年代初科学家才考虑以微晶玻璃微球作为辐射源载体，并于1984年出现了第一个专利(US4789501)，制得了含钇的微晶玻璃微球。经过一系列的试验，1989年开始在加拿大进入人体临床试用，显示出良好的疗效，使肝癌晚期患者的三年存活率达50％以上。在2000年被美国食品药物管理局列入正式使用药品。但是，这种单一的辐射治疗无法使癌症的治愈率进一步提高。
肿瘤热疗是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，利用肿瘤中血液供给不如正常组织充足，致使肿瘤细胞散热差的特点，使其局部温度升高，改变肿瘤细胞所处的环境，并使其变性、坏死，从而达到杀死肿瘤细胞的目的。此外，磁性纳米颗粒可以安全有效地到达肿瘤内部，实现精确定位和无毒副作用的选择性杀灭肿瘤。近年来，采用磁性纳米粒子的磁热效应治疗肿瘤的研究引起了人们的广泛关注。如美国专利US7282479B2，世界专利WO/2007/048326等公开了肿瘤磁热疗用磁性颗粒及其制备方法。这些磁粉具有较高的磁热性能，良好的生物相容性，同时具有良好的抗氧化性和热稳定性，在热疗领域已逐渐得到应用。但这种肿瘤热疗的癌症的治愈率有待进一步提高。
临床研究表明，与单一的放射疗法和温热疗法相比，将放射疗法与温热疗法相结合治疗恶性肿瘤能够取得更好的效果。因此，制备一种能够同时对肿瘤细胞进行放射治疗与温热治疗的材料将具有很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有磁性与放射性的微晶玻璃微球、制备方法及其应用。
本发明提出的具有磁性和放射性的微晶玻璃微球，原料组成为：铁氧体20-45wt％，SiO210-40wt％，Y2O3 5-40wt％，P2O5 0-25wt％，CaO 0-30wt％，B2O3 0-25wt％，Al2O3 0-30wt％，这些化学组成的总含量大于等于95％，其余为含有锰、锌或铼元素的氧化物，其总含量不大于5％，作为掺杂组分加到玻璃组成中；所述微晶玻璃微球粒径为10-150μm，密度为2.8-4.5g/cm3；在中子通量为8×109n/cm2·s·kW的靶源下照射7天后，能够在放射性核素的半衰期内持续向周围区域发射β射线和其他高能射线，其比活度为2.8～8.7MBq/mg。
本发明中，所述铁氧体为Fe3O4、Fe2O3或FeO中的一至多种。
本发明提出的具有磁性和放射性的微晶玻璃微球的制备方法，具体步骤如下：
(1)将原料混合均匀，当高温炉内温度达到700-1200℃时开始加料，在1400-1650℃间保温1-12小时，得到玻璃熔体；将所得玻璃熔体压制成玻璃块后，将其在600-1000℃进行退火2-5小时，在此温度范围内，玻璃中形成Fe3O4微晶相；
(2)将步骤(1)所得玻璃破碎，筛分得到粒径为10-150μm的玻璃粉，然后通过火焰漂浮法制成粒径为10-150μm的微晶玻璃微球。
本发明中，所述磁性微晶相主要是Fe3O4，同时存在少量的γ-Fe2O3及Mn1-xZnxFe2O4，0＜x＜1。
本发明中，所述Fe3O4和Fe2O3含量在20-45wt％的范围内变化时，磁性能可调，比饱和磁化强度为15-75emg/g，比发热量为0.85-8.5kJ/g，10mg微球能使1ml水升温2-20℃。
本发明中，磁性微晶相在玻璃体内部分散均匀，在至少6个月之内不会被氧化而失去磁性。玻璃微球具有良好的化学稳定性与生物相容性，在体外生理模拟液中浸泡28天后，累积失重率为1.68～5.56mg/g，日平均溶出率为0.06-0.20mg/g·d，微粒中微量元素溶出量达到安全使用4.37-47.30mg/d的要求，在体内不产生排异现象。
本发明中，所述磁性微晶玻璃微球可以用于靶向磁热治疗及放射性治疗癌症。对于粒径10-30μm的磁性微晶玻璃微球，可以采用动脉注射、靶向引导的方法到达病灶部位；对于粒径为30-150μm的磁性微晶玻璃微球，可采用微创手术填埋于病灶部位。
本发明中，所述癌症可以是肝癌、骨癌、肾癌、淋巴癌、乳房癌、前列腺癌或胃癌等中任一种。
本发明中，所述微晶玻璃微球具有体内放射治疗功能和磁热治疗的功能，能够在一定时间内于患者体内持续发射β射线和其他高能射线，并且在外加交变磁场的作用下释放热量，杀死肿瘤细胞。此外，该微晶玻璃微球还具有良好的化学稳定性和生物安全性，不会对患者正常组织造成伤害。
本发明所提及的具有磁性和放射性的微晶玻璃微球可以通过手术植入肿瘤部位后，在体外施加交变磁场，微晶玻璃微球由于磁滞损耗效应释放热疗，由于肿瘤的血流量只有正常组织的10-15％，其热传导性能比正常细胞较弱，微晶玻璃微球产生的热量聚集在肿瘤组织，其温度升高达到42-48℃时，肿瘤细胞迅速死亡。同时微晶玻璃微球向周围发射出β射线和其他高能射线，干扰肿瘤细胞中DNA的复制过程，杀死肿瘤细胞或抑制其继续分裂。此外，微晶玻璃微球还具有良好的化学稳定性和生物相容性，对人体细胞没有明显的毒副作用，无致畸、致突变性，因而能够广泛的应用于癌症治疗领域。
附图说明
图1为粒径为15-30μm磁性放射性微晶玻璃微球显微图像。
图2为磁性放射性微晶玻璃微球的XRD图谱。
图3为磁性放射性微晶玻璃微球在磁铁作用下的示意图。
图4为磁性放射性微晶玻璃微球的β射线谱。
图5为磁性放射性微晶玻璃微球的磁热升温曲线。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：原料用量分别为：Fe2O3 40g，SiO2 25g，Y2O3 15g，CaCO3 2g，H3BO3 5g，Ca3(PO4)2 15g，上述原料经过三拌两筛，混合均匀。在硅钼棒高温炉中熔制，起始加料温度为850℃，待炉温上升到1550℃后保温1小时。得到无气泡、粘度较小的玻璃液。将玻璃液倾倒在预先加热至500℃的铸铁模具上，压制成玻璃块，立即送入马弗炉中进行退火，在850℃保温3小时后，随炉冷却。破碎玻璃块，筛选粒径在15-30μm的玻璃粉，使其在乙炔-氧气火焰中重熔，形成如图1所示的含有放射性核素的磁性微晶玻璃微球。
实施例2：原料用量分别为：Fe2O3 45g，SiO2 10g，Y2O3 5g，B2O3 10g，P2O5 25g，Al2O3 5g，上述原料经过三拌两筛，混合均匀。在硅钼棒高温炉中熔制，起始加料温度为750℃，待炉温上升到1500℃后保温3小时。得到无气泡、粘度较小的玻璃液。将玻璃液倾倒在预先加热至500℃的铸铁模具上，压制成玻璃块，立即送入马弗炉中进行退火，在600℃保温3小时后，随炉冷却。破碎玻璃块，筛选粒径在120-150μm的玻璃粉，使其在乙炔-氧气火焰中重熔，形成含有放射性核素的磁性微晶玻璃微球。微晶玻璃微球的XRD图谱如图2所示，样品的特征峰与Fe3O4的标准卡PDF#75-0449相吻合，说明其中微晶相主要为Fe3O4。
实施例3：料用量分别为：Fe2O3 20g，SiO2 20g，Y2O3 20g，P2O5 5g，Al(OH)34 5g，ReO2 5g，上述原料经过三拌两筛，混合均匀。在硅钼棒高温炉中熔制，起始加料温度为1000℃，待炉温上升到1450℃后保温2小时。得到无气泡、粘度较小的玻璃液。将玻璃液倾倒在预先加热至500℃的铸铁模具上，压制成玻璃块，立即送入马弗炉中进行退火，在1000℃保温1小时后，随炉冷却。破碎玻璃块，收集粒径在50-60μm的玻璃粉，使其在乙炔-氧气火焰中重熔，形成含有放射性核素的磁性微晶玻璃微球，其能够在磁场的作用下定向移动，如图3所示。
实施例4：原料用量分别为：Fe2O3 25g，SiO2 40g，Y2O3 25g，Al(OH)3 16g，上述原料经过三拌两筛，混合均匀。在硅钼棒高温炉中熔制，起始加料温度为1150℃，待炉温上升到1400℃后保温4小时。得到无气泡、粘度较小的玻璃液。将玻璃液倾倒在预先加热至500℃的铸铁模具上，压制成玻璃块，立即送入马弗炉中进行退火，在750℃保温5小时后，随炉冷却。破碎玻璃块，收集粒径在50-60μm的玻璃粉，使其在乙炔-氧气火焰中重熔，形成含有放射性核素的磁性微晶玻璃微球。将100mg微晶玻璃微球用AR级乙醇溶液漂洗，干燥后放铝筒中，用氩弧焊密封，将此筒放入中子通量为8×109n/cm2·s·kW的靶源下照射7天，靶源功率为8000kW。用β谱分析仪测定微球放出β射线的能量，如图4表明，在600-800keV能区的峰，系由90Y核素衰变所致，样品微球在中子堆照处理后具有放射性能。
实施例5：原料用量分别为：Fe2O3 30g，SiO2 30g，Y2O3 35g，Zn(NO3)2 2g，MnO2 3g，上述原料经过三拌两筛，混合均匀。在硅钼棒高温炉中熔制，起始加料温度为1000℃，待炉温上升到1600℃后保温1小时。得到无气泡、粘度较小的玻璃液。将玻璃液倾倒在预先加热至500℃的铸铁模具上，压制成玻璃块，立即送入马弗炉中进行退火，在900℃保温2小时后，随炉冷却。破碎玻璃块，收集粒径在15-30μm的玻璃粉，使其在乙炔-氧气火焰中重熔，制得含有放射性核素的磁性微晶玻璃微球。样品的磁热性能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，工作频率为55～65kHz，最大磁场强度约为7kA/m。取不同质量样品置于盛有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水温的变化(如图5所示)，结果表明，10mg、25mg和50mg的的微晶玻璃微球能够使1ml蒸馏水分别升温8.2℃、21℃和37.7℃，具有良好的磁热性能。在37℃条件下，按照玻璃微球质量与生理盐水体积比为1g∶100ml的比例，将玻璃微球浸泡在生理盐水中。浸泡一段时间后用去离子水洗涤并烘干，测定浸泡后玻璃微球质量m2，与浸泡前玻璃微球的质量m1的差值即为浸泡过程中溶出的物质量，则玻璃微球在单位时间内的失重率为：
表1 生理盐水浸泡玻璃微球质量变化
| Time /day | 3 | 7 | 14 | 28 |
| Weight loss/％ | 0.120 | 0.265 | 0.380 | 0.556 |
从表1中可以看出，玻璃微球在浸泡28天后，累计失重率很低，仅为0.556％，说明仅有微量物质从玻璃微球中溶出，玻璃微球中微量元素溶出量达到稀土元素安全使用4.37-47.30mg/d的要求，表明该微球具有较好的化学稳定性。
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作出各种修改，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 (7)
1.一种具有磁性和放射性的微晶玻璃微球，其特征在于原料组成为：铁氧体20-45wt％，SiO2 10-40wt％，Y2O3 5-40wt％，P2O5 0-25wt％，CaO 0-30wt％，B2O3 0-25wt％，Al2O30-30wt％，这些化学组成的总含量大于等于95％，其余为含有锰、锌或铼元素的氧化物，其总含量不大于5％，作为掺杂组分加到玻璃组成中；所述微晶玻璃微球粒径为10-150μm，密度为2.8-4.5g/cm3；在中子通量为8×109n/cm2·s·kW的靶源下照射7天后，能够在放射性核素的半衰期内持续向周围区域发射β射线和其它高能射线，其比活度为2.8～8.7MBq/mg。
2.根据权利要求1所述的具有磁性和放射性的微晶玻璃微球，其特征在于所述铁氧体原料为Fe3O4、Fe2O3或FeO中的一至多种。
3.根据权利要求1所述的具有磁性和放射性的微晶玻璃微球，其特征在于所述Fe3O4和Fe2O3含量在20-45wt％的范围内变化时，微晶玻璃微球的磁性能可调，比饱和磁化强度为15-75emg/g，比发热量为0.85-8.5kJ/g，10mg微球能使1ml水升温2-20℃。
4.一种如权利要求1所述的具有磁性和放射性的微晶玻璃微球的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)将原料混合均匀，当高温炉内温度达到700-1200℃时开始加料，在1400-1650℃间保温1-12小时，得到玻璃熔体；将所得玻璃熔体压制成玻璃块后，将其在600-1000℃进行退火2-5小时，在此温度范围内，玻璃中形成磁性微晶相；
(2)将步骤(1)所得玻璃破碎，筛分得到粒径为10-150μm的玻璃粉，然后通过火焰漂浮法制成粒径为10-150μm的微晶玻璃微球。
5.根据权利要求4所述的具有磁性和放射性的微晶玻璃微球的制备方法，其特征在于所述磁性微晶相主要是Fe3O4，同时存在少量的γ-Fe2O3及Mn1-xZnxFe2O4，0＜x＜1。
6.一种如权利要求1所述的具有磁性和放射性的微晶玻璃微球用于靶向磁热治疗及放射性治疗癌症，对于粒径10-30μm的磁性微晶玻璃微球，采用动脉注射、靶向引导的方法到达病灶部位；对于粒径为30-150μm的磁性微晶玻璃微球，采用微创手术填埋于病灶部位。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于所述癌症是肝癌、骨癌、肾癌、淋巴癌、乳房癌、前列腺癌或胃癌中任一种。
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