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金刚石在医疗领域的应用

更新时间:2009-03-28

医疗领域所用的材料与人类健康息息相关。医疗技术的发展,对医疗材料的品种和质量提出了更高的要求,为金刚石材料的应用开拓出一片新的市场:金刚石具有硬度高、耐磨性好、稳定性好、生物相容性好等优异性能,可以制成超锋利的刀片或以薄膜形式镀到手术刀具上以增加刀具的寿命,可以作为涂层用于人体植入材料中以缓和排斥反应,也可以作为运输药物、标记特征的靶向材料。

我们分别从医用刀具、医用材料和医药领域等3方面介绍金刚石材料的独特优势、总结金刚石材料在医疗领域的应用情况,并对其存在的问题和未来的发展做出-展望。

1 医用刀具

用于组织切除的手术刀具对材料的硬度、耐磨性、稳定性与生物相容性等指标要求很高。金刚石材料不仅能满足相关要求,而且以其制备的刀具在手术过程中对手术部位的挤压、撕拉损伤小,伤口边缘整齐、易愈合。目前,金刚石手术刀具主要用于眼科、神经外科、骨科及口腔科,以及生物组织切片等。

1.1 眼科用手术刀具

人眼的神经结构复杂多变,软组织有丰富的色素和血管,对材料的安全性和刀具的结构提出了很高的要求。金刚石材料强度高、硬度高,可以根据不同需求制备不同刀刃结构的金刚石手术刀具(如图1所示)。金刚石手术刀可用于小切口白内障人工晶体植入术、玻璃体切割术、角膜移植术、青光眼手术、放射状角膜切开术等[1-2]。DAWSON等[3]通过实验得出:对于角膜自发慢性上皮缺陷,使用金刚石手术刀清创可显著减少表面基质,降低相对硬度、提高治疗效率。

  

(a) 眼科手术刀外形及尺寸

  

(b)眼科手术金刚石刀具位置(c)非穿透性新虹膜切口手术图1 眼科中的金刚石手术刀具[4-5]

1.2 神经外科

金刚石手术刀的刀刃锋利、机械性能好并具有弹性,且反复使用时锐度保持稳定,切口精度高、力度可视,可用于神经外科血管手术、整形手术等[6-7]。图2所示为不同刀片形状角度的神经外科金刚石手术刀具。

  

图2 神经外科中的金刚石刀具[8]

1.3 骨科

骨科整形手术要求快速切除骨组织,并控制切割产生的摩擦热量。手术使用的切割线如图3所示,其中含钎焊金刚石(图3a),焊丝精细,能够在横切面上去除组织并避免不必要的骨损伤(图3b)。

  

(a)金刚石切割线细节图(b)金刚石切割线手术使用方法图3 骨科中的金刚石刀具[9]

1.4 牙科

金刚石刀具已在牙科领域广泛应用于牙齿的钻孔、磨削等。刀具头部以钎焊、烧结或电镀的方式固定细小金刚石颗粒(粒度尺寸20~200 μm),可以提高刀具锋利度和耐磨性,提高切削效率[10]

图4所示为牙科金刚石刀具。其中,车针(图4a、图4b)主要用于义齿修磨及牙体预备,加工未烧结的氧化锆陶瓷,工具寿命长;磨针用于义齿成型加工,加工玻璃陶瓷等材料,可降低亚表面损伤。

使用彩超检查仪对胎儿进行全面的检查,将探头率调制到2~5MHzo,在检查的过程中应确定胎儿的详细位置以及胎儿的数目,其次对胎儿的身体结构以及心跳速度进行检测[2],最后对胎儿的头部、手臂、鼻骨、颈部、心跳、腹部、肢体等进行检查。

  

(a)车针头部(b)车针类型(c)磨针图4 牙科金刚石手术刀具[11]

1.5 组织切片

[12]ELECTRON MICREOSCOPY SEIENCE. Diatome Diamond Knives [EB/OL]. [2018-04-20]. https://www.emsdiasum.com/microscopy/products/diamond/cryotrim.aspx

  

图5 生物组织切片刀具[12]

2 医用材料

由于疾病、外伤或者自然衰老等原因,人体组织器官可能遭到损伤或者缺失。为代替这部分组织,人们研究用其他材料做成植入物植入人体,其中,植入物的材料至关重要:为满足人体生理和力学环境,植入物材料要具有良好的耐磨性、抗腐蚀性、生物相容性甚至再生性能[13-14]。根据植入组织的不同,植入材料的选择也有所不同,包括树脂材料、钴、铬、镍、钛等金属或合金材料、不锈钢以及金刚石材料等[15-16]

2.1 口腔科

现在临床应用的口腔材料大多为树脂材料、钴铬合金和纯钛,其具有一定的耐磨性、耐腐蚀性及生物相容性,但不够理想。纳米金刚石(粒度尺寸1~100 nm)兼有金刚石与纳米材料的特性,例如高硬度、高耐腐蚀性、低摩擦系数、低表面粗糙度、大比表面积、高表面活性、高透明度、高硬度、耐磨性和耐腐蚀性等,以及良好的生物相容性,是更为理想的口腔材料。

胡晓刚等[17]将爆轰法制备的纳米金刚石混入复合树脂,发现其具有更高的硬度和挠曲强度;孙延等[18]在PMMA树脂和纯钛复合材料上,用带过滤的阴极真空等离子电弧镀膜技术镀上纳米金刚石膜,发现:镀上纳米金刚石膜的材料在细胞培养和动物实验中表现出了良好的生物相容性,镀膜后的材料上细胞生长情况比未镀膜的材料好(图6);材料和镀膜之间结合良好,镀膜后更耐磨损,在人工唾液模拟环境下材料的耐腐蚀性达到口腔医用材料的标准。

  

(a)镀金刚石膜 (b)未镀膜

 

图6 PMMA树脂和纯钛复合材料镀膜前后细胞生长情况[18]

植入体表面的细菌黏附在治疗过程有非常大的影响,如刺激临近组织使其发炎等,且会降低表面粗糙度和破坏传递介质[19]。陈钢等[20]在钴铬合金和纯钛的义齿材料表面镀纳米金刚石薄膜,改善了义齿的机械力学性能和热力学性能,修复了义齿表面形貌,提高了生物相容性。李斌等[21]研究发现:镀覆纳米金刚石薄膜可显著抑制义齿基托上的白色念珠菌黏附,并提高基托的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和结合力。ALMAGUER-FLORES 等[22]对比了金刚石镀膜、钛镀膜和不锈钢镀膜,发现金刚石镀膜的细菌黏附性最弱。YAN等[23]分析测试了PMMA、纯钛和金刚石薄膜的生物相容性和改性后的表面性质,认为在生物相容性、耐腐蚀性、生物毒性、溶血率等指标中金刚石薄膜均满足医用材料的要求。

2.2 骨科

纳米金刚石可用于人造关节的涂层材料。传统医疗植入物多使用钴、铬、镍,然而部分患者对这些金属过敏,或产生排斥反应。金刚石涂层具有良好的生物相容性,不会引起人体的排斥反应;并且金刚石具有抗菌特性,可以抑制细菌的滋生。另外,与传统金属聚合体植入物相比,纳米金刚石涂层人造关节磨损轻微,基本不产生碎屑[24]

金刚石还能促进骨钙素的表达。骨钙素是构成骨基质的成分之一,能维持骨骼正常矿化速率,反映机体骨骼代谢变化。李增健等[25]发现添加金刚石的材料上骨钙素mRNA表达效果更好,金刚石-钛复合材料上新骨生成早,并且组织的骨性愈合快。YANG等[26]发现金刚石涂层的表面特性可以促进或抑制成骨细胞功能,说明金刚石涂层的不同组成形式可以在不同骨科植入体类型中用来促进或抑制骨骼生长。PARETA等[27]发现金刚石涂层具有很好的化学稳定性、耐磨性和细胞相容性,附着在钛表面的纳米金刚石可有效增加表面硬度,促进成骨细胞黏附,因此纳米金刚石涂层适于改善骨科应用表面特性。RODRIGUES等[28]指出,纳米金刚石涂层的化学惰性、超高硬度和低摩擦系数可在骨科手术中改善植入体性能,减少金属的腐蚀、磨损和炎症反应、骨量流失。

结合往复式真空泵在运行过程中所产生的温度及其变化情况,基本上超温常常发生在抽空的3阶段中。此时,往复式真空泵进口的真空压力在-0.05~0.075MPa,而出口的压力则处于0.008~0.02MPa。在本组往复式真空泵的实际运行中,其最高的压缩比值等于4.8,而平均的压缩值则为3.04。在抽空2阶段时,该工序所产生的最高压缩比值等于2.16,而其平均的压缩比值则等于1.75。将二者进行比较能够得出,往复式真空泵运行的2个工序中,压缩比之间具有较大的差距,而其所产生的热量则为处于正常状态,发热量与工作时间具有一定的关系。

总之,纳米金刚石涂层以更好的生物反应优化了植入体性能。

2.3 其他

NeuroCare项目[29]利用纳米金刚石性质稳定、表面致密、物质不能扩散的特性,将其用作植入体与人体神经组织之间的介质材料,可以减少介质和神经组织之间的反应(金属材料长时间在人体内,其表面可能降解),并拉近其与神经元细胞的距离,从而能在彼此间建立更高质量、持续时间更久的电子接口。

在核磁共振领域,NDI项目组[29]利用纳米金刚石的光学特性,赋予了核磁共振扫描仪在单细胞尺度上的缩放能力。要提高核磁扫描精度,需提高原子状态拾取效率。传统提高拾取效率的方法是使用人体无法适应的极低温环境,而金刚石材料的原子自旋可以通过光照调节,因此只需激光辐射就能达到原本需超低温条件才能达到的拾取效率,从而保证长时间成像。

血管手术中,纳米金刚石微粒可以物理吸附血管生成因子,用作血管支架材料时能在术后加速血管生长。MAGDALENA等[30]实验发现:含纳米金刚石颗粒的血管支架材料的生物活性最好,且诱导性能最佳。

[19]ALMAGURE-FLORES A, XIMENEZ-FYVIE L A, RODIL S E. Oral bacterial adhesion on amorphous carbon and titanium films: effect of surface roughness and culture media [J]. J. Biomed. Mater. Res. B. Appl. Biomater., 2010, 92B(1): 196-204.

3 医药领域的应用

在医药领域应用的主要是(改性)纳米金刚石,包括载药、标记、蛋白质分离、抗癌治疗、杀菌等方面。

3.1 药物载体材料

纳米金刚石的晶体表面有许多官能团,能和药物以共价键或非共价键的方式结合,把药物运输到靶细胞、靶器官来发挥药性[32]

SHIMKUNAS等[33]发现纳米金刚石表面能吸附胰岛素,并保持胰岛素活性并调节释放,达到最佳治疗效果。CHAO等[34]研究发现纳米金刚石吸附溶菌酶后,会形成抗菌活性更高且具有非入侵性的溶菌酶复合物,使其更好发挥作用。ADNAN等[35]发现纳米金刚石颗粒(ND)对盐酸阿青霉素(DOX)的吸附能力和环境的pH值有关(图7),在pH值高的时候ND上的DOX吸附率更高。

  

(a)pH=7(b)pH=11图7 不同pH值下纳米金刚石和阿青霉素的吸附情况[35]

将纳米金刚石与噻吗洛尔结合并嵌入隐形眼镜中,能确保药物直接作用于眼部,更好地治疗青光眼[36]。CHERNYSHEVA等[37]将带正电的防腐剂和带正电的纳米金刚石结合,验证了纳米金刚石能抑制基团的疏水作用,使药物顺利到达病灶发挥药性。魏黎明等[38]利用爆炸法制备的纳米金刚石表面官能团多的特性,对低浓度多肽溶液进行了富集分析,对富集前后纳米金刚石的表面官能团改变进行表征,验证了纳米金刚石对多肽或蛋白具有充分的富集能力。樊凤阳等[39]研究金刚石载药对HL-60细胞凋亡的作用,发现纳米金刚石(DND)可以与治疗人早幼粒细胞白血病的ATRA药物结合,形成DND-ATRA纳米复合物,明显地提高了ATRA的有效浓度和利用率;通过细胞抑制活性分析和显微镜观察,DND-ATRA纳米复合物有低毒性,能诱导分化HL-60细胞,促进其凋亡而不破坏正常细胞。

3.2 细胞标记

纳米金刚石化学性质稳定,不易与其他物质发生反应,且无毒无光致漂白剂,但是可发荧光。这使纳米金刚石比其他荧光标记物更适合用于细胞标记。CHAO等[34]将溶菌酶-纳米金刚石复合物与大肠杆菌相互作用,其不仅表现出较高的抗菌活性,而且可以检测到纳米金刚石的拉曼信号。LIU等[40]研究发现,纳米金刚石在细胞分裂的过程中,会随着染色体分离而近乎对半地转移到2个子细胞当中,且分裂过程无毒无影响。MKANDAWIRE等[41]研究发现:结合了抗体的纳米金刚石会在进入的结构当中发出不同于细胞本身的荧光。MOHAN等[42]给野生线虫体喂食和注射荧光纳米金刚石,验证了其可进入活体细胞,并可长期跟踪、成像线虫体的生长发育过程。

3.3 蛋白质分离

纳米金刚石有较大的比表面积,且表面附有羧基、内脂、羟基、酮和烷基等亲和蛋白质的化学基团,因而纳米金刚石可用于蛋白质的分离。其优势在于可简化提纯蛋白质过程、缩短分离时间、不使用特殊色谱设备等,方便科研工作人员的研究工作[43]

3.4 抗癌治疗

纳米金刚石表面具有多种化学基团,它们可用于肿瘤成像和治疗,并已成为癌症治疗的重点方向。LI等[44]发现紫杉醇与纳米金刚石结合,抗癌活性比单紫杉醇高:10-羟基喜树碱与纳米金刚石结合,形成10-羟基喜树碱-纳米金刚石复合物,对Hela细胞的体外毒性比单10-羟基喜树碱强;纳米金刚石的亲水性,改善了10-羟基喜树碱的水溶性。孙陶利等[45]利用纳米金刚石表面官能团羧基与抗肿瘤物质鬼臼毒素以共价键链接,结合后不干扰纺锤体分离,提高了药物水溶性、生物相容性、耐药性、靶向性,因此鬼臼毒素的抗肿瘤活性大大提高。

癌细胞病变和肿瘤,可能是由于缺陷基因的表达。因此,推出一种治疗方法:利用siRNA来抑制缺陷基因。但siRNA的活性受限于穿透细胞和降解核酸的能力。ALHADDAD等[46-47]发现用纳米金刚石作载体,能够有效地传递siRNA到细胞中,然后进一步阻断EWS/fli1致癌基因在尤文氏肉瘤疾病中的表达。

3.5 其他

LIU Xiaoming. CVD diamond thick-film ophthalmology scalpel, method and device for manufacturing: CN200910085222.7 [P]. 2011-06-01.

含碳吸附剂被广泛地用于工业、医药、药理等各种领域。人造金刚石作为一种新的含碳吸附材料,其表面可改性或恢复[50],在使用过程中具有重复性,而金刚石粉对氮分子、重金属离子和水蒸气的吸附性较强[51]。并且,纳米金刚石微粒能够在不同的pH值的细胞环境中传输而表面不退化,细胞存活时间长,有望在生物医学应用中作为稳定的、生物兼容的荧光探针[52]

4 结论与展望

我们从医用刀具、医用材料和医药应用3个方面分别阐述了金刚石在医疗领域的应用——

医用刀具:金刚石块体作手术刀片,配合金属或硬质合金作刀柄制作手术刀具;或采用金刚石涂层,优化硬质合金刀具的性能。医用材料:在植入体表面镀金刚石膜,优化其在体内的物理、化学特性和生物相容性;在医用材料中混入金刚石成分优化其性能。医药领域:金刚石在生物载药、细胞标记、蛋白质分离、癌症治疗、杀菌等方面均有应用。不同种类的金刚石应用领域及其对应性能如表1所示。

 

表1 不同类型金刚石在各个领域的应用及其性能

  

金刚石类型 用途 利用的性能天然金刚石手术刀具刀片材料高硬度、耐磨性、耐腐蚀性、物化性能稳定、表面光滑度人造单晶金刚石手术刀具涂层高硬度、耐磨性、耐腐蚀性、物化性能稳定纳米单晶金刚石骨科人造关节涂层促进骨钙素表达,间接促进骨界面细胞增殖、新骨形成;化学惰性、高硬度、表面光滑度眼科植入体表面致密性血管支架材料加速血管生长药物载体表面吸附性、生物相容性、物化性能稳定标记表面吸附性、荧光性蛋白质分离提纯表面吸附性癌症治疗表面吸附性、增强药物活性、减少毒副作用生物成像光透性杀菌表面官能团纳米非晶金刚石牙科义齿、基托涂层生物相容性、高透明度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损

随着现代技术的发展,金刚石材料在医疗领域的应用越来越广泛,制备方法不同的金刚石性能也有很大的差别,这种多样性使金刚石材料具有广阔的应用前景,由此也带来了新的问题:金刚石在医疗领域的运用还具有哪些可能性;金刚石加工成型和高效刃磨问题;如何进一步提高核磁共振扫描仪成像的分辨率并普及相关技术;怎样解决植入体的金刚石涂层从衬底材料上脱落的问题;金刚石涂层能促进骨骼生长的作用机理缺乏深入研究;纳米金刚石与不同药物结合的稳定性、对不同药物表现出的亲疏性、药物在输送过程中释放的可调性等。

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纳米金刚石可以像金属银、铜一样杀死细菌,杀菌效率较高[48]。CHATTERJEE等[49]研究发现纳米金刚石羧化物对阴性大肠杆菌有显著抗菌作用。在水解质中观测,5 nm羧基纳米金刚石的存在,导致细胞壁上86%的大肠杆菌在4 h内溶解,达到新的最大值,羧基纳米金刚石在反应后会摧毁大肠杆菌。超细羧基纳米金刚石与荧光标记的大肠杆菌反应,表明大肠杆菌表面的破裂机理和酶溶解破坏完全不同[34],可能是自然物理反应,或者是由于高度反应表面可能攻击细菌外膜并造成细胞膜表面缺陷,导致细胞死亡。

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在当今社会,创新是教学发展的重要环节,并且经过多年的教学经验,大多数教师也明白了创新教学的重要性,他们在实际的教学过程中不断改变和创新自己的教学方式,尝试对当前出现的教学行为做出反思,力图寻求开拓更好的教学方法。开展教学反思不仅是对当前的教学模式产生影响,对于教师教学方法的创新也具有促进作用。通过教学反思,找出当前教学过程中所存在的问题,提升小学语文教学的质量。因此,教师要积极发展对教学方法的反思,提高学生的学习成绩。

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李小树原来就和大黑猫住在我对面的那个寓所里,只要我在家,李小树有时会隔着落地窗和我打个招呼,有时他干脆拿着自己喜欢的马爹利酒过来串门。我们坐在客厅间的吧台上一边喝酒,一边聊天。李小树从来不聊他们娱乐界的事情,大多数时候,他都在谈论美酒和女人。

我叫马悦然,一个活泼可爱的女孩儿,今年9岁,是山西省实验小学四年三班的学生。我学习成绩优异,擅长拉小提琴,更爱好读书,小说、童话故事、历史书籍、自然科学……一本本有趣的书将我带入了不同的世界,心灵总是沉浸在愉悦的书海中。腹有诗书气自华,我希望自己成为这样的人!

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图5所示的生物组织切片刀具中,其刀刃部分采用金刚石刀具,具有切片质量好、无划痕或受压不变形等优点,且在连续切片时可获得更薄的切片,生物相容性好、对细胞损伤小[12]

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我知道停尸房里每天有几具死于手术中的尸体,在忙碌的手术室里我习惯性地记住他们的名字,通过尸身脚上悬挂的名牌把尸身从紧闭的不锈钢冰箱门推出,移至解剖台上。今天骨骼大军即将迎来他们的第207个士兵,一个全膝关节。我会为死者替换他的膝盖,完成全膝关节表面置换术。追悼仪式后,死者与他的关节假体在他亲人的嚎哭中被大火淹没,而他真正的膝关节将永存于世。

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例外,居住建筑的室内设计内容还可根据设计及装修的工种或步骤来确定,例如居住建筑的室内空间设计大体包括居住建筑内部空间的形象定位、居住建筑内部空间的装潢定位、居住建筑内部空间的局部声光热等物理环境定位、居住建筑内部空间的摆设品味定位等等。以下将对这四部分进行比较详细的分析:

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整个论坛都炸开来,网友回帖回了十几页,有鼓励,有惊叹,有支持,惟独没有抨击。太多人知道罗漠的寂寞,有人对他说,你们的爱情感动了所有人,可是逝者已矣,如果楚西有灵,她也必是不愿见你孤独一生。

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再生医学领域(利用干细胞的再生能力来治疗疾病),金刚石的双重惰性使之成为合适的生物发展平台。ANDREI等[31]在刻蚀的晶片表面镀纳米金刚石,使其形成草莓形式的空穴,可避免胚胎干细胞受到外界的干扰。

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改革开放只有进行时没有完成时。经过40年不解探索、砥砺奋进,中国特色社会主义进入新时代,我们站在了一个新的历史起点上。2018年10月8日,省委第十一届六次全会决定组建山东省自然资源厅,统一行使全民所有自然资源资产管理职责,统一行使所有国土空间用途管制和生态修复等职责。这是省委、省政府贯彻落实党中央、国务院重大决策部署,强化自然资源集中统一管理的重大举措,标志着新时代自然资源事业扬帆起航。

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在车队向目的地上海行进期间,唐晓龙也有幸在路途中感受了自己觊觎已久的全新沃尔沃S90,尽管和自己的V70在设计、配置、操控方面有着很大差别,但唐晓龙试驾过后对S90很是满意,对S90的自动驾驶辅助功能更是赞不绝口。从自己的V70走进S90,唐晓龙觉得自己像迈进了一个新的世界,但通过舒适的座椅、沉稳的转向质感以及方向盘上的标识,他依旧能产生浓厚的兴趣,并将这辆全新的沃尔沃视为潜在的购车对象。

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由于传输视频信号时数据量很大,仿真视频传输时若选择精确业务建模的方式会使整个仿真变得极慢.假设每一个数据包都是从最高层次的应用层发送,仿真少数几个视频流可能就需要30 min.为此,OPNET Modeler为多媒体业务专门增设了一个通信量混合属性Traffic Mix(%),该属性取值选项有All Background、All Discrete及百分比等3种.本次仿真中选择All Background选项,即所有数据包都设置为背景流量,这样可使仿真时间大大缩短.

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罗珊,胡小月,王成勇,郑李娟,赵丹娜
《金刚石与磨料磨具工程》2018年第02期文献

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