光热铋掺杂生物玻璃的基础研究

发布时间：2020-07-19 07:16

【摘要】：随着癌症发病率的不断上升,全世界每年因癌症死亡的人数逐年递增,治疗癌症是21世纪人类面临的一个巨大挑战。当前,治疗骨肿瘤的主要方法是手术治疗,放疗和化疗。但是这些传统治疗方法还存在很多问题,例如肿瘤细胞切除不彻底,容易引发骨组织缺损,副作用大等,从而需要进行多次骨肿瘤切除以及骨修复治疗。研制既具有骨肿瘤治疗又具有骨组织修复功能的新型双功能生物材料可为骨肿瘤治疗提供一种全新的技术方案。光热治疗被认为是对人体损伤最小的一种治疗方式之一,但是当前所有光热转换材料都没有骨修复功能。同时,传统骨修复材料,例如生物玻璃或陶瓷等,也不兼具光热治疗效果。为了制备出具有骨肿瘤治疗和骨组织修复的双功能活性材料,我们做了以下研究工作:一、在铋掺杂锗酸盐玻璃中发现了优异的光热性能。在单位功率密度(1 W/cm~2)的808 nm激光辐照下,2 mol%Bi_2O_3掺杂的锗酸盐样品的温度可以上升38.9 ~oC,在90 s时温度即可达到稳定,平均升温速率为4.6 ~o C/s,是光热金纳米棒的153倍。并且发现铋掺杂玻璃的升温效果随玻璃厚度的增加呈线性增加,在激发波长447 nm,532 nm,808 nm和980 nm下的升温效果都十分显著。二、利用光热转换机理和能量守恒原理,通过分析铋掺杂玻璃的吸收性质、光热性质、近红外发光性质以及玻璃网络结构的变化,提出并证明了强化铋掺杂玻璃光热性能的四种方法:(1)增加吸收的光子数。随着Bi_2O_3浓度的增加,铋掺杂锗酸盐玻璃体系的吸收系数逐渐增加。随着吸收光子数的增加,低浓度Bi_2O_3(0.001-0.01 mol%)掺杂的玻璃样品光热效果被强化,但温度增幅较小;高浓度Bi_2O_3(0.10-10.0 mol%)掺杂的锗酸盐玻璃的光热效应可以急剧增强。该种方法在铋掺杂磷酸盐,硼酸盐和硅酸盐玻璃基质被证实同样有效。(2)减弱铋近红外发光。Al_2O_3是铋近红外发光的强化剂,随着Al_2O_3含量的增加,铋掺杂锗酸盐玻璃体系的近红外发光可以被极大强化。我们通过减少Al_2O_3的含量,减弱铋近红外发光,来抑制能量的辐射跃迁。对应地,以非辐射跃迁形式释放的能量增加,玻璃的光热效应被强化。该方法在铋掺杂硅酸盐和磷酸盐玻璃中同样被证明有效。(3)解聚玻璃网络结构。Al_2O_3对铋近红外发光的强化是因为在近红外发光较强的铝铋共掺玻璃中,玻璃网络形成体[AlO_4]和[AlO_5]的含量较高。它们可以有效分散铋近红外发光中心,减弱铋离子间的相互作用,从而减小非辐射跃迁的能量损失,强化发光。这里,碱(土)金属离子作为玻璃网络修饰体被引入来解聚玻璃的网络结构,增加铋离子之间的相互作用。对应的,铋近红外发光减弱,非辐射跃迁增强,从而强化了光热效应。通过对不同玻璃基质的吸收光谱、光热效应和近红外发射光谱分析,我们发现只有当被吸收的光子数相同时,解聚玻璃网络结构才能有效强化光热效应。(4)飞秒激光即时生成铋近红外发光中心。利用飞秒激光微加工技术,首先在铋掺杂玻璃微区诱导出铋近红外发光中心。铋近红外发光中心的产生改变了加工区域的吸收强度,光热效应和近红外发光。通过增强飞秒激光的脉冲功率和调控玻璃组分,被诱导出的发光中心的含量增加,从而使微区光热效应强化。三、结合杀死肿瘤所需温度和光热强化方法,选取具有优异光热效应的铋掺杂硅酸盐玻璃组分,发明出铋掺杂光热生物玻璃。它们可以使前成骨细胞在其表面增殖,分化和矿化,从而简单证明其具有骨修复的功能。进一步地,通过体内和体外实验,这些玻璃可以在808 nm激光的照射下,有效的杀死骨肿瘤细胞,并且经过在模拟体液中共培养50天后,光热效应几乎没有减弱。因此,铋掺杂光热生物玻璃可以与化疗和放疗协同治疗,有效杀死残余的骨肿瘤细胞,从而可以减少骨肿瘤和骨缺陷的治疗次数。同样,铋掺杂玻璃有潜力应用在介入治疗中,从而可以有效推动双功能生物玻璃在医疗领域的应用。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08;TQ171.1
【图文】：

免免疫摧毁、促进肿瘤的炎症、细胞能量异常以及基因组年，肿瘤学家在理解正常细胞向癌细胞的转变过程，以及得了显著性进展。但是，相对于癌细胞复杂的形成机理和转认知依旧有很大的局限性。全世界每年因癌症死亡的人数全球因癌症死亡的人数为 880 万，占据死亡总人数的六分癌症死亡人数将达到 1304 万。2015 年，世界卫生组织（发病率和死亡人数的调查），发布了全球 70 岁以下人群癌其中癌症死亡在 91 个国家是第一或第二大死因，在 22 个2016 年，在全球 5690 万人的死亡中，超过一半（54%）是（如图 1-1 所示），其中仅仅肺癌（连同气管和支气管癌） 万人的生命，位居死亡原因排名第五位。随着癌症发病率癌症治疗仍然是 21 世纪的一个巨大挑战。

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本文编号：2762106