氧化钛在加速磁性玻璃陶瓷损耗率方面的作用

《Next Materials》：The Effect of titanium oxide in accelerating the loss rate of magnetic glass ceramics

本研究通过添加0-6% TiO?至20SiO?-50FeO-15CaO-15Na?O玻璃中，采用溶胶-凝胶法制备了磁性生物活性玻璃陶瓷。XRD和FTIR分析表明，TiO?作为晶核剂显著提高了磁铁矿（Maghemite）的相对含量，其磁饱和值从21.5 emu/g提升至26.9 emu/g。热疗测试显示含6% TiO?的样品在交变磁场下温度升高达16℃。体外生物活性测试证实，该样品表面形成 cauliflower-like 羟基磷灰石结构，Ca/P比接近1.66，验证了其骨修复潜力。

　　在癌症治疗领域，磁性流体超热疗（Magnetic Fluid Hyperthermia, MFH）作为一种非侵入性的治疗方法，因其能够在局部区域产生可控的热效应而受到广泛关注。然而，磁饱和度的升高是制约该技术发展的关键问题之一。在本研究中，科学家探讨了通过添加不同比例的二氧化钛（TiO?）到一种特定的玻璃体系中，以优化其磁性性能和生物活性。这种玻璃体系的组成为20% SiO? - 50% FeO - 15% CaO - 15% Na?O，它在热处理后形成了包括赤铁矿（α-Fe?O?）、磁赤铁矿（γ-Fe?O?）以及钠钙硅酸盐（Na?CaSiO?）在内的多种晶相。研究结果表明，随着TiO?含量从0%增加到6%（重量百分比），磁赤铁矿的相对强度显著提升，且磁饱和度从21.5 emu/g提高至26.9 emu/g。这一趋势表明，TiO?的添加对磁性性能具有积极影响，而其中含有6% TiO?的样品表现出最高的磁性损耗，从而在交变磁场中产生了16°C的温度升高。此外，该样品在模拟体液中的生物活性研究显示，其表面形成了具有花椰菜形态的羟基磷灰石（hydroxyapatite），表明其具有良好的生物活性。

磁性材料在MFH中的作用是关键，因为它们能够通过在交变磁场中产生磁滞损耗，从而将能量转化为热能。然而，金属纳米颗粒在实际应用中面临诸多挑战，包括温度控制的难度以及可能对健康组织造成损伤的风险。例如，当温度超过45°C时，可能对周围正常组织造成不可逆的损害。此外，金属纳米颗粒在生物环境中的生物活性较低，且在高浓度下可能引发细胞毒性。因此，研究人员开始关注磁性生物活性玻璃陶瓷材料，这些材料不仅能够有效产生热效应，还能在体内形成具有生物活性的晶体结构，从而同时具备治疗癌症和修复骨组织的潜力。

为了提高磁性玻璃陶瓷的性能，研究人员采用了溶胶-凝胶法（sol-gel method）进行合成。这种方法相较于传统的熔融法，能够减少对高温的依赖，并提供更广泛的成分选择。在本研究中，为了进一步优化磁性性能，科学家在玻璃体系中添加了聚乙二醇（PEG 4000），以增强磁赤铁矿的稳定性并防止其转化为赤铁矿。同时，通过调整TiO?的添加比例，研究者希望在磁性与生物活性之间找到最佳平衡点。TiO?作为一种常见的氧化物添加剂，不仅能够改善玻璃的结构，还可能影响其热性能和生物活性。研究表明，TiO?具有较高的键能，能够增强玻璃的机械性能，同时改善其润湿性和形成能力，从而促进生物活性的提升。

在结构分析方面，研究使用X射线衍射（XRD）技术对热处理后的样品进行了详细研究。结果表明，随着TiO?添加比例的增加，磁赤铁矿、赤铁矿和钠钙硅酸盐的相对强度均有所提升。这说明TiO?在玻璃中起到了晶核形成的作用，有助于晶相的生长和结晶。同时，通过Scherer方程，研究人员计算了不同样品中晶粒的尺寸。结果表明，随着TiO?含量的增加，磁赤铁矿的晶粒尺寸也有所增大，而赤铁矿和钠钙硅酸盐的晶粒尺寸则略有变化。这表明，TiO?的加入不仅促进了晶相的形成，还可能影响其晶体结构的稳定性。

在生物活性测试中，研究者将热处理后的玻璃陶瓷样品浸入模拟体液（SBF）中，观察其在不同时间点的表面变化。结果表明，随着浸入时间的延长，羟基磷灰石的形成逐渐增强，并在21天后覆盖了样品的整个表面。这表明该玻璃陶瓷具有良好的生物活性，并能够与体液发生反应，形成具有生物活性的晶体结构。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步确认了羟基磷灰石的形成，其吸收峰的宽度和深度随着浸入时间的增加而增加，这表明羟基磷灰石的生成量也随之上升。

在磁性性能测试中，研究人员使用振动样品磁强计（VSM）对样品的磁滞回线进行了分析。结果表明，随着TiO?含量的增加，磁滞回线的面积逐渐增大，这说明磁性损耗也随之增加。磁滞回线的面积与磁性材料的性能密切相关，面积越大，表示材料在交变磁场中能够产生更多的热能。此外，样品的矫顽力（Hc）随着TiO?含量的增加而下降，这表明材料的磁性更加稳定，更容易在交变磁场中发生磁化，从而产生更高的热效应。

研究还发现，含有6% TiO?的样品在交变磁场中表现出最高的温度升高，达到16°C。这一结果表明，该样品在磁性性能和生物活性方面均表现出优异的特性，可能是磁性流体超热疗应用的理想材料。此外，样品的表面形态分析显示，形成了具有花椰菜形态的羟基磷灰石晶体，这种形态有助于增加材料的生物活性，同时促进其在体内的结合和稳定性。

总的来说，本研究通过调整TiO?的添加比例，成功优化了磁性生物活性玻璃陶瓷的磁性和生物活性。含有6% TiO?的样品在磁性性能和生物活性方面表现最佳，能够产生较高的温度升高，同时形成具有生物活性的羟基磷灰石晶体。这些结果表明，TiO?在磁性生物活性玻璃陶瓷的合成中起到了关键作用，不仅能够提高磁性，还能促进生物活性的形成。未来的研究可以进一步探索该材料在体内的应用效果，并评估其在不同条件下的稳定性和安全性。