一种非金属温度响应性磁共振成像复合材料及其制备方法与应用

1.本发明属于功能纤维材料领域，更具体地，涉及一种非金属温度响应性磁共振成像复合材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.磁共振成像技术(mri)
3.磁共振是指原子核在一定条件下与外加磁场共振的物理现象。磁共振成像技术(mri)的基本工作原理是将被测物体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发物体内的氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核将吸收的能量释放出来，按特定频率发出无线电信号。这一无线电信号被mri设备的接收器收集，经计算机处理获得图像。目前人用mri设备所采集的信号主要都自于氢原子(见杨正汉等人著《磁共振成像技术指南》，人民军医出版社,2010:p18-19)。
4.mri的信号强度与弛豫时间
5.处在不同状态下的氢原子(如化学键连接、处于孔道中、不同相结构等)，在被射频脉冲激发后，回归基态时释放能量的速度有快有慢。这个能量释放过程被称为弛豫，弛豫存在两个独立的过程，被称为t1与t2弛豫(或横向、纵向弛豫)，两个弛豫过程发生的所需要消耗的时间被称为t1与t2弛豫时间。
6.mri有多种扫描序列用于获得信号，其中最常用的序列有t1wi(t1加权成像)、t2wi(t2加权成像)、pdwi(质子加权成像)、dwi(扩散加权成像)等，而以上这些常用扫描序列所得到的图像的信号强度均受到氢原子t1与t2弛豫时间的影响，也就是说不同弛豫时间的氢原子在mri图像上的信号强度是不同的(见ray h.hashemi et al.mri:the basics.lippincott williams&wilkins,2012,p54-55)。t1wi、t2wi、pdwi序列的mri信号强度与弛豫时间的关系如下：
[0007][0008]
公式(1)中的s为mri信号强度；n
(h)i
为具有该种t1与t2弛豫时间的氢原子数量；t1、t2分别是该种氢原子的t1与t2弛豫时间；tr和te分别是重复时间与回波时间，它们是扫描序列的组成，对于生物组织而言，二者的取值是较为固定的；连加符号表示，空间中每一个氢原子都会为图像贡献一份mri信号。
[0009]
高分子材料无法产生足够的mri信号
[0010]
高分子材料已被广泛用于制造医疗器械，然而高分子材料所含有的氢原子，其t2弛豫时间过短，在数十毫秒甚至数十纳秒的范围内。对于mri设备而言，公式(1)中所示的te最短也需要数毫秒，这也就意味着，对于一个t2弛豫时间只有1ms的物质来说，若扫描参数te为5ms，仅在这参数上，其数值就为已经低于水分子可提供的mri
信号强度若干数量级了。正是由于mri设备本身的限制，难以探测如此短弛豫时间的氢原子，导致高分子在体内无法被mri成像。这一现象在yuan等人的研究(yuan d c et al.journal of biomedical materials research part b-applied biomaterials,2019,107(7):2305-2316)中就可以看到，他们将聚合物(聚丁二酸丁二酯-对苯二甲酸丁二酯)纤维作为人造椎间盘替代髓核，但其在mri下完全无信号。这一问题导致医生难以通过mri获知植入的高分子材料在患者体内的信息，对治疗带来障碍。
[0011]
已公开的温度响应性造影技术及其缺陷
[0012]
mri造影技术种类多样，其中一种常用的方法是使用造影剂。将一种具有磁性的物质以注射或口服的方式递送至目标区域，该物质附带的磁性会缩短附近氢原子(通常来自于水分子)的t1与t2弛豫时间，这类物质就被称为造影剂。造影剂的存在会引起t1wi序列上的mri信号增强与t2wi序列上的mri信号降低，这种信号的变化会使得造影剂区域与周围环境产生较高的信号对比度，从而实现造影效果。造影剂的造影效果可以由物理量弛豫效率来描述：
[0013][0014]
公式(2)中i＝1或2，代表t1弛豫或t2弛豫；ri为弛豫率，是弛豫时间ti的倒数，其单位为s-1
；[ca]为造影剂的浓度，惯用单位是mmol/l；ri为弛豫效率，惯用单位是l/(mmol
·
s)。
[0015]
公式(2)表明，造影剂的加入会引起弛豫率的变化，弛豫率与造影剂浓度呈线性关系，其斜率为弛豫效率。弛豫效率的含义是，单位浓度的造影剂对弛豫率的改变量，也就是说高弛豫效率的造影剂，在同使用浓度下造影效果更佳。
[0016]
造影剂的弛豫效率受到多种因素的影响，包括尺寸、形状、表面修饰、螯合物形态等，已公开的温度响应性造影剂均是通过设计温度变化来改变造影剂的以上性质。当温度发生变化时，造影剂会在高弛豫效率与低弛豫效率的状态之间转换(见hingorani d v et al.contrast media&molecular imaging,2014,10(4):245-265)。通过将具有温度影响性的造影剂负载在高分子材料中，当温度变化时，造影剂对高分子材料周围水分子的弛豫效率也会在高、低之间转变，从而反应出体内的温度分布。
[0017]
然而以上已公开的技术方案具有如下问题：(1)已公开的温度响应性造影剂技术都需要在使用环境中产生附加磁场(通常由金属原子提供磁性)，这类造影剂注射在人体内会引起过敏等不适反应(见semelka r c et al.magnetic resonance imaging,2016,34(10):1399-1401与daldruplink h e.radiology,2017,284(3):616-629报道)；(2)已公开温度影响性造影剂是随温度在高弛豫效率和低弛豫效率间转换的，而非“打开”造影效果和“关闭”造影效果，因此注射区域始终处在造影状态。如果将这类造影剂负载在高分子材料中，高分子材料将始终处于造影状态，即使在造影剂的低弛豫效率状态下，材料所在位置的信号也要受到造影剂的影响。这就导致迁移至高分子材料内部的细胞所产生的信号也会被造影剂所改变，不论造影剂在哪种造影效率状态下，mri信号强度都不能直接反映细胞在高分子材料内部的增值情况，限制了其在组织工程支架等领域的应用。


技术实现要素：

[0018]
针对已公开技术存在的缺陷，本发明的目的是：(1)提供一种非金属温度响应性磁共振成像的方法，并阐明其原理；(2)提供一种非金属温度响应性磁共振成像复合材料的制备方法与工艺参数；(3)该种复合材料的应用；以实现(a)在不引入附加磁场的情况下实现对高分子材料的温度响应性mri成像；(b)该温度响应性是“开/关”类型的造影效果，而不是在高弛豫效率与低弛豫效率间转变，从而使得在造影效果“关闭”的时候，材料所在位置的信号均来自于高分子材料所处的环境(包括浸润的体液、增值的细胞等)，而不受到造影剂的干扰；
[0019]
本发明实现上述效果的原理如下：
[0020]
本发明提供一种可以通过相结构转变来调控这类化合物弛豫时间的方法，相结构调控弛豫时间的原理在于：氢原子的弛豫时间受多种弛豫机制影响，处在不同相结构中的氢原子，其主要弛豫机制也有所不同。因此不同相结构下物质的弛豫时间也会发生变化，如图1所示，是原子弛豫时间(t1、t2)与相关时间(τc)的关系，其中τc反比于分子的运动能力。从图1中可以看到，由于液态分子的运动能力强，其τc较小，t1与t2弛豫时间都较长；而对于聚合物分子、蛋白质分子，由于其分子尺寸较大，运动能力减弱，τc增加。很多聚合物在常温下虽然表现为固态，但由于其中部分聚合物(如硅胶)的玻璃化转变温度极低，其分子链在常温下仍能自由运动，它们的弛豫时间均较液态分子有所降低；对于晶态分子，由于其形成了晶体，分子被限制在晶格的位点上不能自由运动，仅能在原位振动，因此τc较大。组成物质的分子从自由运动的液相、无定形态，转变为受限在晶格中的晶态时，其t2弛豫时间可以下降若干个数量级。如此大的t2弛豫时间变化，根据公式(1)可知，其mri信号强度也会发生巨大变化。因此，将物质在自由运动的液态与运动受限的晶态间转变时，其mri信号强度就会发生若干个数量级的变化，从而对高分子材料实现具有“开/关”效果的温度响应性磁共振成像。
[0021]
本发明目的通过以下具体技术方案实现，
[0022]
一种非金属温度响应性磁共振成像的方法，包括以下步骤：
[0023]
(s1)配制纺溶液：将高分子材料溶解在溶剂中形成高分子溶液，将有机含氢分子造影剂溶解在溶剂中形成造影剂溶液；
[0024]
(s2)将两种溶液混合进行静电纺丝，有机含氢分子造影剂负载在高分子纤维中；
[0025]
(s3)将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气；
[0026]
(s4)根据有机含氢分子造影剂的响应温度，在高于有机含氢分子造影剂的响应温度时，为复合纤维产物中高分子材料提供t1wi下的阳性造影；低于有机含氢分子造影剂的响应温度时，不提供造影效果。
[0027]
步骤(s1)中所述的高分子材料为聚酯类高分子及其衍生物、聚烯烃类高分子及其衍生物、聚酰胺类高分子及其衍生物、淀粉及其衍生物、纤维素及其衍生物、壳聚糖、聚甲醛、透明质酸、纤维蛋白、丝素蛋白，以上聚合物的共混共聚物与嵌段共聚物中的一种或两种以上的混合。
[0028]
优选地，所述聚酯类高分子及其衍生物为聚乙交酯、聚乳酸、聚己内酯、聚羟基乙酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯和聚碳酸酯中的至少一种；聚烯烃类高分子及其衍生物为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚异戊二烯、聚
乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇和聚丙烯腈中的至少一种；聚酰胺类高分子及其衍生物为尼龙6、尼龙66、尼龙610和尼龙1212中的至少一种；淀粉及其衍生物为羟乙基淀粉和/或羧甲基淀粉；纤维素及其衍生物为醋酸纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的至少一种；共混共聚物与嵌段共聚物为左旋-右旋聚乳酸共聚物、聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物、聚乙二醇-聚己内酯嵌段共聚物、聚乙二醇-聚乙烯吡咯烷酮嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚(乙烯-丁烯)-聚苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯/丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物中的至少一种。
[0029]
步骤(s1)中所述的有机含氢分子造影剂为长链脂肪一元酸、长链脂肪一元醇、一元酸一元醇长链脂肪酯、一元酸多元醇长链脂肪酯中的一种或两种以上的混合，响应温度为-18～70℃。
[0030]
优选地，长链脂肪一元酸为含碳数在8～12的脂肪一元酸，响应温度为13～70℃；长链脂肪一元醇为含碳数在8～18的脂肪一元醇，响应温度为-16.7～59℃；一元酸一元醇长链脂肪酯为由长链脂肪一元酸与长链脂肪一元醇形成的含碳数在16～28的酯，响应温度为-18～38℃；一元酸多元醇长链脂肪酯为由丙三醇、蔗糖与含碳数在8～14的长链脂肪一元酸形成的酯类化合物，响应温度为3.2～70℃。
[0031]
更优选地，含碳数在8～24的脂肪一元酸及其响应温度如表1所示；含碳数在8～18的脂肪一元醇及其响应温度如表2所示；由长链脂肪一元酸与长链脂肪一元醇形成的含碳数在16～28的酯及其响应温度如表3所示；由丙三醇、蔗糖与含碳数在8～14的长链脂肪一元酸形成的酯类化合物及其响应温度如表4所示。
[0032]
表1.含碳数在8～24的优选脂肪一元酸及其mri响应温度
[0033][0034][0035]
表2.含碳数在8～18的优选脂肪一元醇及其mri响应温度
[0036][0037]
表3.由长链脂肪一元酸与长链脂肪一元醇形成的含碳数在16～28的优选酯类化合物及其mri响应温度
[0038][0039]
表4.由丙三醇、蔗糖与含碳数在8～14的长链脂肪一元酸形成的优选酯类化合物及其mri响应温度
[0040][0041]
步骤(s1)中所述的溶剂为溶剂戊烷、正己烷、甲基环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、四氯乙烷、四氯化碳、丙烯酸甲酯、四氢呋喃、甲基四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、乙醚、石油醚、丙酮、甲酸、乙酸、三氟乙酸、六氟异丙醇、二甲苯、甲苯、苯酚、氯苯、硝基苯、甲酚、苯甲醚、甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、戊醇中的一种或两种以上的混合。
[0042]
步骤(s1)中所述的高分子溶液的浓度为5～60wt％，造影剂溶液浓度为20～90wt％。
[0043]
步骤(s2)中所述静电纺丝条件为：供液装置供液速率0.1～10ml/h，喷丝头与收集装置间距离5～50cm，喷丝头处接高压10～50kv，收集装置处接高压0～-50kv。
[0044]
步骤(s3)中所述的排尽纤维内空气的原因在于，空气与高分子复合纤维的磁化率有显著差别，会影响磁场的不均性，导致mri成像效果变差，因此不能有空气残留。
[0045]
步骤(s3)中所述的最终复合纤维产物，在高于有机含氢分子造影剂的响应温度
时，为高分子材料提供t1wi下的阳性造影；低于有机含氢分子造影剂的响应温度时，不提供造影效果，对材料本身的信号无影响。
[0046]
一种复合纤维通过上述方法制备得到。
[0047]
通过以上工艺制备得到的复合纤维可以应用于：(1)为高分子材料提供温度响应的mri信号，如高分子组织工程支架等；(2)作为mri内的温度校准标样；(3)测定复合纤维所在环境中的温度分布。
[0048]
本发明的制备方法及所得产物相较于已公开技术具有如下优点及有益效果：
[0049]
(1)本发明方法制备得到的复合纤维不含有金属，不对环境产生附加磁场；所含有的酸、醇及其形成的酯类化合物均可从植物/动物体内提取获得，对人体无毒性；
[0050]
(2)复合纤维产物在高于有机含氢分子造影剂的响应温度时，为高分子材料提供t1wi下的阳性造影；低于有机含氢分子造影剂的响应温度时，不提供造影效果，对材料本身的信号无影响。可实现“开/关”造影效果。
附图说明
[0051]
图1.分子的相关时间(τc)与弛豫时间的关系。
[0052]
图2.静电纺丝装置示意图。
[0053]
图3.实施例1与对比例1的变温mri成像结果。
[0054]
图4.对比例1的变温低场核磁共振谱仪测试结果。
[0055]
图5.实施例2的变温mri成像结果。
具体实施方式
[0056]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0057]
实施例1
[0058]
将聚丁二酸丁二醇酯溶解在三氯甲烷中形成质量浓度为60％高分子溶液，将月桂酸溶解在二氯甲烷中形成质量浓度为75％造影剂溶液；将两种溶液以质量比1：2混合后得到纺丝溶液。
[0059]
将溶液通过以下参数进行静电纺丝，供液装置供液速率3ml/h，喷丝头与收集装置间距离20cm，喷丝头处接高压20kv，收集装置处接高压-1kv。
[0060]
将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气。
[0061]
纤维的响应温度为44.2℃，通过差示扫描量热仪测定。
[0062]
实施例2
[0063]
将聚对苯二甲酸乙二醇酯溶解在三氯甲烷中形成质量浓度为45％高分子溶液，将月桂醇溶解在二氯甲烷中形成质量浓度为75％造影剂溶液；将两种溶液以质量比1：2混合后得到纺丝溶液。
[0064]
将溶液通过以下参数进行静电纺丝，供液装置供液速率3ml/h，喷丝头与收集装置间距离20cm，喷丝头处接高压20kv，收集装置处接高压-1kv。
[0065]
将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气。
[0066]
纤维的响应温度为24.0℃，通过差示扫描量热仪测定。
[0067]
为了说明本发明中使用的有机含氢分子造影剂提供mri信号的来源是其所含有的脂肪链，而非其他基团。对实施例1和实施例2的产物进行变温mri成像(如图3和图5所示)。通过对实施例1和实施例2的mri成像结果可知，月桂酸和月桂醇在高于响应温度时，都可以为高分子纤维带来t1wi下的阳性造影，温度降低至响应温度以下时无造影效果，且两产物对t2wi和pdwi序列均无造影效果。说明月桂酸与月桂醇的造影效果相似，影响它们造影能力的氢原子是由长链脂肪贡献的。
[0068]
实施例3
[0069]
将聚乙烯醇溶解在水中形成质量浓度为5％高分子溶液，将丙三醇三肉豆蔻酸酯溶解在四氢呋喃中形成质量浓度为60％造影剂溶液；将两种溶液以质量比1：2混合后得到纺丝溶液。
[0070]
将溶液通过以下参数进行静电纺丝，供液装置供液速率0.1ml/h，喷丝头与收集装置间距离50cm，喷丝头处接高压50kv，收集装置处接高压-1kv。
[0071]
将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气。
[0072]
纤维的响应温度为56.2℃，通过差示扫描量热仪测定。
[0073]
实施例4
[0074]
将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物溶解在四氢呋喃中形成质量浓度为40％高分子溶液，将异油酸溶解在丙酮中形成质量浓度为30％造影剂溶液；将两种溶液以质量比2：3混合后得到纺丝溶液。
[0075]
将溶液通过以下参数进行静电纺丝，供液装置供液速率5ml/h，喷丝头与收集装置间距离30cm，喷丝头处接高压40kv，收集装置处接高压-20kv。
[0076]
将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气。
[0077]
纤维的响应温度为44.0℃，通过差示扫描量热仪测定。
[0078]
实施例5
[0079]
将左旋/右旋乳酸无规共聚物溶解在二氯甲烷中形成质量浓度为24％高分子溶液，将肉豆蔻酸肉豆蔻酯溶解在n,n-二甲基乙酰胺中形成质量浓度为90％造影剂溶液；将两种溶液以质量比1：1混合后得到纺丝溶液。
[0080]
将溶液通过以下参数进行静电纺丝，供液装置供液速率5ml/h，喷丝头与收集装置间距离30cm，喷丝头处接高压10kv，收集装置处接高压-50kv。
[0081]
将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气。
[0082]
纤维的响应温度为36.2℃，通过差示扫描量热仪测定。
[0083]
实施例6
[0084]
将醋酸纤维素溶解在n,n-二甲基乙酰胺：丙酮＝2：1wt.％的混合溶剂中形成质量浓度为10％高分子溶液，将丙三醇单油酸酯溶解在乙醚中形成质量浓度为20％造影剂溶液；将两种溶液以质量比1：1混合后得到纺丝溶液。
[0085]
将溶液通过以下参数进行静电纺丝，供液装置供液速率10ml/h，喷丝头与收集装置间距离25cm，喷丝头处接高压25kv，收集装置处接高压-10kv。
[0086]
将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气。
[0087]
纤维的响应温度为38.5℃，通过差示扫描量热仪测定。
[0088]
实施例7
[0089]
将尼龙1212溶解在甲酸中形成质量浓度为20％高分子溶液，将丙三醇单月桂酸酯溶解在乙醚中形成质量浓度为90％造影剂溶液；将两种溶液以质量比1：2混合后得到纺丝溶液。
[0090]
将溶液通过以下参数进行静电纺丝，供液装置供液速率10ml/h，喷丝头与收集装置间距离5cm，喷丝头处接高压10kv，收集装置处接高压-40kv。
[0091]
将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气。
[0092]
纤维的响应温度为63.0℃，通过差示扫描量热仪测定。
[0093]
对比例1
[0094]
将聚丁二酸丁二醇酯溶解在三氯甲烷中形成质量浓度为20％高分子溶液。
[0095]
将溶液通过以下参数进行静电纺丝，供液装置供液速率3ml/h，喷丝头与收集装置间距离20cm，喷丝头处接高压20kv，收集装置处接高压-1kv。
[0096]
将收集到的复合纤维产物干燥，浸没在水中，排尽纤维内的空气。
[0097]
为说明本发明方法的有效性，对实施例1和对比例1得到的产物进行变温mri成像(如图3所示)，对实施例1进行变温低场核磁共振谱仪测试月桂酸的弛豫时间(如图4所示)。
[0098]
如图3所示，分别对实施例1和对比例1的产物在50℃(月桂酸响应温度以上)和37℃(月桂酸响应温度以下)进行t1wi、t2wi和pdwi序列的扫描，其中t1wi序列信号强度主要反应t1弛豫时间，次要受到质子密度和t2弛豫时间控制；t2wi序列信号强度主要反应t2弛豫时间，次要受到质子密度和t1弛豫时间控制；pdwi序列信号强度主要反应质子密度的，次要受到t1和t2弛豫时间控制；
[0099]
从图3可以看到，实施例1产物在50℃下具有高的t1wi信号强度，而37℃时则不再表现为高信号强度。而对比例1没有表现出相似的情况，说明复合纤维中负载的有机含氢分子造影剂具有良好的温度响应性。
[0100]
此外，由于pdwi主要反应的是质子密度，因此可以将其作为修正基准，来比较不同状态下单个氢原子的相对信号强度。从对比例1的成像结果可以看到，其t1wi：pdwi与t2wi：pdwi序列强度的比值在不同温度下是接近的，说明每个氢原子提供的信号强度是相近的。而实施例1在37℃时，t1wi：pdwi与t2wi：pdwi序列强度的比值与对比例1在37℃时是接近的，说明在该温度下，提供信号的氢原子都来自于浸润纤维的水分子。实施例1在50℃时，t1wi：pdwi的值远大于其在37℃下的数值，说明存在体系中出现了具有高强度信号的氢原子(来自于月桂酸)。
[0101]
从图4中可以看到，在复合纤维中的月桂酸，在响应温度以上时，其t2弛豫时间主要约为280ms。当温度降低至响应温度以下时，约为5ms，下降了约2个数量级。
[0102]
此外，在响应温度以上时，低场核磁共振谱仪测得复合纤维中的月桂酸的t1弛豫时间约为278ms。在响应温度以下时，由于t2弛豫时间过短，无法测得其t1弛豫时间。但可以利用公式(1)估算说明本发明方法的有效性。首先对于复合材料而言，变温前后月桂酸质子密度不变，即n
(h)i
不变，假设都为1；在响应温度以下月桂酸的t1弛豫时间不可测，但不难看出由于tr与t1均大于0，始终小于1，我们取最大值1进行估算。以t2wi序列采用的te＝105ms为例，实施例1样品中的月桂酸在两个温度下的信号强度如下：
[0103][0104][0105]
两者的信号值相差了近9个数量级，因此在响应温度以下，月桂酸完全不提供mri信号。
[0106]
综上，实施例1与对比例1的数据表明，实施例1的复合纤维具有温度响应性；月桂酸可以为高分子纤维带来t1wi阳性造影；同时，低于响应温度时，体系中的信号都来自于浸润纤维的水分子，而不来自于月桂酸分子，起到了“开/关”的mri造影效果的目的。