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技术

本发明专利技术属于功能纤维材料领域，公开了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。通过静电纺丝技术将有机含氢分子造影剂负载在高分子纤维中，控制有机含氢分子造影剂的相结构与分子运动能力调控其弛豫时间。在不添加附加磁场的情况下，为高分子材料实现具有“开/关”效果的温度响应性磁共振成像。相较于已公开技术具有无需添加附加磁场；选用造影剂均可从植物/动物体内提取获得，对人体无毒性；可实现“开/关”造影效果，不造影时不影响材料本身核磁信号的优点。不影响材料本身核磁信号的优点。不影响材料本身核磁信号的优点。

A non-metallic temperature responsive magnetic resonance imaging composite and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]磁共振成像技术(MRI)
[0003]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)。
[0004]MRI的信号强度与弛豫时间
[0005]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。
[0006]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
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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
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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；R
i
为弛豫率，是弛豫时间T
i
的倒数，其单位为s
‑1；[CA]为造影剂的浓度，惯用单位是mmol/L；r
i
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。

技术实现思路

[0018]针对已公开技术存在的缺陷，本专利技术的目的是：(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，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非金属温度响应性磁共振成像的方法，其特征在于包括以下步骤：(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；(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；(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；(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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：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
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右旋聚乳酸共聚物、聚乙二醇
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聚乳酸嵌段共聚物、聚乙二醇
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聚己内酯嵌段共聚物、聚乙二醇
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聚乙烯吡咯烷酮嵌段共聚物、聚苯乙烯
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聚丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯
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丁二烯
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苯乙烯三嵌段共聚物、聚苯乙烯
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聚(乙烯
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丁烯)
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聚苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯
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异戊二烯/丁二烯
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苯乙烯嵌段共聚物和聚苯乙烯
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聚丁二烯
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【专利技术属性】
技术研发人员：王林格，贾毅凡，于倩倩，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：