CN102179005A - 基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，包括产生交变磁场的装置和磁性纳米颗粒，所述产生交变磁场的装置产生交变磁场，磁性纳米颗粒分散于该交变磁场中，还包括至少两块分布在所述产生交变磁场的装置的两侧且同极相对的永磁体，所述永磁体距产生交变磁场的装置的中心线的距离大致相等。本发明实现了对磁性纳米颗粒热效应的精确控制和对分散有磁性纳米颗粒区域内局部位置的选择性升温，成本较低，可以实现对肿瘤区域的选择性加热，从而减轻热疗对正常组织的损伤。本发明同时还可以应用于对化学反应体系的区域选择性加热，从而达到控制化学反应速率的目的。

Description

基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统

技术领域

本发明属于生物与医学纳米材料技术领域，特别涉及一种基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统。

背景技术

磁性纳米颗粒在交变磁场作用下能够升温。一般我们用单位质量的磁性材料在单位时间内产生的热量亦即比产热功率(SAR)来表征其热效应的大小，具体计算公式为

SAR＝C·ΔT/Δt·1/mFe

其中C是样品的比热，取铁氧体纳米颗粒的比热和水的比热的质量平均，ΔT/Δt是温度-时间曲线的起始斜率，mFe则是每克铁氧体纳米颗粒分散在溶液中金属离子的含量。

磁性纳米颗粒的热损耗主要是由磁滞和弛豫效应造成，而且其大小与材料的物化性质和交变磁场的场强和频率有关。

尺寸较大(大于单畴尺寸)的铁磁或亚铁磁纳米颗粒在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度，这种现象叫磁滞，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损失叫做磁滞损耗。经一次磁化循环，每单位体积材料中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积，这部分能量转化为热能。如果所加的磁场振幅不大，则磁化一周得到的磁滞回线可以用解析式来表示。这种磁滞回线称为瑞利磁滞回线。瑞利磁滞回线所对应的磁场范围称为瑞利区。在低频弱场区内由磁滞效应引起的损耗功率Ph为 $P_h=\frac{4}{3}{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\η}{H}_m^{3}f$

其中，μ0是真空磁导率，η是瑞利常数，Hm是磁场振幅，f是磁场频率。

此式清楚地表明，由磁滞效应引起的损耗功率与外加磁场的频率成正比，与外加磁场的振幅的三次方也成正比，同时还与瑞利常数成正比。

弛豫分为尼尔弛豫和布朗弛豫，其中布朗弛豫是磁性颗粒受到交变磁场作用时，磁矩固定在易磁化方向的颗粒在液体内转动而产生的弛豫；而尼尔弛豫则是磁性颗粒在交变磁场中，颗粒内的磁矩因热扰动克服能垒——磁各向异性能而发生转动产生的弛豫。

一般认为超顺磁性纳米材料在交变磁场中的损耗主要依赖于弛豫。对于超顺磁性的颗粒，其热效应归为尼尔弛豫和布朗弛豫所致。

布朗弛豫的弛豫时间τB可表示为：

τB＝3Vhη/kT

其中Vh是颗粒的水动力体积，η是载液的动力粘度，k是波尔兹曼常数，T是温度。

尼尔弛豫的弛豫时间τN则可表示为：

τN＝τ0expKV/kT

其中τ0～10-9s，KV为各向异性能，K为各向异性常数，V为颗粒体积。考虑这两种弛豫机制，体系的有效弛豫时间τeff为

τeff＝τNτB/(τN+τB)

起主要作用的机制是最短的弛豫时间，当τN＞＞τB时，τeff＝τB，当τN＜＜τB时，τeff＝τN。磁性纳米颗粒的弛豫损耗功率为

P＝(mHωτeff)2/[2τeffkTρV(1+ω2τeff2)]

其中m为颗粒磁矩，ρ为颗粒密度。P与τeff的关系是一个共振型曲线，当ωτeff＝1时，P达到最大值。

目前，磁性纳米颗粒在交变磁场作用下的热效应已经得到了广泛的研究和应用。在医学上，磁感应肿瘤热疗已经成为恶性肿瘤治疗的研究热点，其具有微创、靶向效应等优点。在1979年Gordon等提出了磁流体热疗或细胞内热疗的观点，即采用磁流体作为热疗的加热介质。德国的柏林洪堡大学医学院的Jordan研究组从1993年起就进行磁流体热疗的研究。

虽然磁感应肿瘤热疗在过去的几十年的时间里已经取得了巨大的进展，但是仍有一些问题制约着其进一步发展和应用，如对磁感应肿瘤热疗进行测温及热计量控制问题、对肿瘤热聚焦问题等。目前为实现对肿瘤区域的热聚焦，主要是采用抗体偶联磁性纳米颗粒，通过抗体与肿瘤抗原特异性结合实现磁性纳米颗粒在肿瘤区域的靶向。但是这种方法的成本较高，抗体与磁性纳米颗粒的偶联效率也有待进一步提高。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的磁性纳米颗粒在交变磁场下升温行为的控制问题，本发明的目的是提供一种基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，包括产生交变磁场的装置和磁性纳米颗粒，所述产生交变磁场的装置产生交变磁场，磁性纳米颗粒位于该交变磁场中，还包括至少两块分布在所述产生交变磁场的装置的两侧且同极相对的永磁体，提供恒磁场，所述永磁体距产生交变磁场的装置的中心线的距离大致相等。

所述磁性纳米颗粒可选择铁、钴、镍等金属及其合金磁性纳米颗粒，四氧化三铁、三氧化二铁、锰铁氧体、钴铁氧体、镍铁氧体、锌铁氧体及锰锌铁氧体等氧化物磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒的粒径可为1-100nm，具有在交变磁场下升温的功能，SAR值可大于50w/g。

所述产生交变磁场的装置可为铁氧体线圈或螺线管线圈，所述交变磁场的频率可为50kHz-1MHz，功率可为10kw-100kw。

所述同极相对的永磁体之间的距离可为1-50cm，每块所述永磁体的磁感应强度可为0.1-0.5特斯拉，对所述永磁体可用循环水冷却保护，以避免永磁体在交变磁场中升温。

所述永磁体的数量可为两块，且其连线与产生交变磁场的装置的中心线大致垂直。

所述永磁体的数量也可为四块且两组同极相对的永磁体之间的角度可为30-90度。

本发明通过在交变磁场上复合恒磁场来控制磁性纳米颗粒在交变磁场下的升温行为。外加的恒磁场由两块永磁体提供。两块永磁体同极相对，提供互相排斥的恒磁场，该磁场与交变磁场在空间上如图1所示进行复合。这样就在两块永磁体之间的中心提供了一个无恒磁场或恒磁场很弱的区域，该区域对交变磁场基本无影响。当磁性纳米颗粒处在复合磁场作用下升温时，处于该区域的磁性纳米颗粒因为几乎不受恒磁场的作用可以在交变磁场作用下正常升温。而有恒磁场作用的磁性纳米颗粒则相当于增大了磁性纳米颗粒进行磁滞升温或弛豫升温的能垒，使得颗粒磁滞效应损耗功率减小，或者使颗粒布朗旋转或磁矩翻转更加困难，减小了弛豫损耗。如此形成了四周磁感应热被抑制，而内部升温正常的区域，并且可以通过改变两块永磁体之间的距离和永磁体的磁场强度对该区域的大小及周围磁感应热抑制进行调控，从而实现空间选择性加热，即实现了磁感应热聚焦。如果要对磁感应热聚焦区域进行更为精确和复杂的选择和控制，则可以由若干块按特定阵列排布的永磁体来提供需要的恒磁场，图2所示即为其中一种排布方式。

有益效果：本发明实现了对磁性纳米颗粒热效应的精确控制和对分散有磁性纳米颗粒区域内局部位置的选择性升温，成本较低，可以实现对肿瘤区域的选择性加热，从而减轻热疗对正常组织的损伤。本发明同时还可以应用于对化学反应体系的区域选择性加热，从而达到控制化学反应速率的目的。

附图说明

图1为实施例1中磁性纳米颗粒在复合磁场作用下升温的示意图，图中1指交变磁场，2和16指第一永磁体和第二永磁体，3指恒磁场，4指磁性纳米颗粒，5指螺线管线圈；

图2为实施例3中磁性纳米颗粒在复合磁场作用下升温的示意图，图中6、7、8和9指第三至第六永磁体，10和11指第一铁氧体线圈和第二铁氧体线圈；

图3为实施例2中交变磁场与恒磁场的空间关系示意图，图中12指铁氧体，13指缠绕在铁氧体上的线圈，14和15指第七永磁体和第八永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明设计了由交变磁场和恒磁场复合而成的复合磁场。复合磁场使磁性纳米颗粒在交变磁场作用下升温时形成磁感应热聚焦区域，从而控制磁性纳米颗粒在交变磁场作用下升温行为。

对磁性纳米颗粒的具体要求：

磁性纳米颗粒选择铁、钴、镍等金属及其合金磁性纳米颗粒，四氧化三铁、三氧化二铁、锰铁氧体、钴铁氧体、镍铁氧体、锌铁氧体及锰锌铁氧体等氧化物磁性纳米颗粒，纳米颗粒的粒径为1-100nm，具有在交变磁场下升温的功能，SAR值大于50w/g。

对复合磁场的具体要求：

交变磁场可由铁氧体或螺线管线圈提供，其频率为50kHz-1MHz，功率为10kw-100kw可调。

恒磁场可以由两块同极相对的永磁体提供，相对的同极为N极和N极或S极和S极，永磁体的磁感应强度为0.1-0.5特斯拉可调，两块永磁体之间的距离为1-50cm可调。

恒磁场也可以由若干块按特定阵列排布的永磁体提供，每块永磁体的磁感应强度为0.1-0.5特斯拉可调。永磁体阵列中，两块同极相对磁铁为一组，两组之间角度为30-90度可调。

为了避免永磁体在交变磁场中升温，需对永磁体进行循环水冷却保护。

实施例1：螺线管线圈产生交变磁场下的磁感应热聚焦。

磁性纳米颗粒4选择平均粒径为12nm的四氧化三铁纳米颗粒，为提高颗粒的稳定性和生物相容性，其表面修饰有二巯基丁二酸，磁性纳米颗粒4的浓度为2mg/cm³；交变磁场1由螺线管线圈5提供，其额定功率为80kw，频率为100kHz；恒磁场3由两块同极相对的第一永磁体2和第二永磁体16提供，第一永磁体2和第二永磁体16的磁感应强度均为0.5T，第一永磁体2和第尔永磁体16之间的距离为11cm。第一永磁体2和第二永磁体16由循环水进行冷却。交变磁场1与恒磁场3的空间关系如图1所示。磁聚焦区域的恒磁场3的磁感应强度接近于0mT。磁聚焦区域可在十五分钟内升温12摄氏度，而有磁性纳米颗粒4分散的其他区域的升温只有6摄氏度或者更低。

实施例2：铁氧体线圈产生交变磁场下的磁感应热聚焦.

磁性纳米颗粒选择平均粒径为12nm的三氧化二铁纳米颗粒，其晶型为立方尖晶石型，为提高纳米颗粒的稳定性和生物相容性，其表面修饰有二巯基丁二酸，磁性纳米颗粒的浓度为2mg/cm³；交变磁场由铁氧体线圈提供，铁氧体线圈如图3所示，是由铁氧体12和缠绕在铁氧体12上的线圈13组成，交变磁场的额定功率为100kw，频率为120kHz；恒磁场由两块同极相对的永磁体14和15提供，第七永磁体14和第八永磁体15的磁感应强度均为0.5T，第七永磁体14和第八永磁体15之间的距离为9cm。永磁体14和15由循环水进行冷却。交变磁场与恒磁场的空间关系如图3所示。磁聚焦区域的恒磁场磁感应强度接近于0mT。磁聚焦区域可在十五分钟内升温12摄氏度，而有磁性纳米颗粒分散的其他区域的升温只有6摄氏度或者更低。

实施例3：铁氧体线圈产生交变磁场和永磁体阵列产生恒磁场的复合磁场作用下的磁聚焦。

磁性纳米颗粒选择平均粒径为10nm的锰锌铁氧体纳米颗粒，其晶型为立方尖晶石型，为提高纳米颗粒的稳定性和生物相容性，其表面修饰有二巯基丁二酸，磁性纳米颗粒的浓度为2mg/cm³；交变磁场由第一铁氧体线圈10和第二铁氧体线圈11提供，其额定功率为100kw，频率为150KHz；恒磁场由四块同极相对的第三至第六永磁体6、7、8和9提供，第三至第六永磁体6、7、8和9的磁感应强度均为0.5T。第三至第六永磁体6、7、8和9由循环水进行冷却。第一铁氧体线圈10和第二铁氧体线圈11与第三至第六永磁体6、7、8和9的空间关系如图2所示。磁聚焦区域的恒磁场磁感应强度接近于0mT。磁聚焦区域可在十五分钟内升温12摄氏度，而有磁性纳米颗粒分散的其他区域的升温只有4摄氏度或者更低。

Claims (10)

1.一种基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，包括产生交变磁场的装置和磁性纳米颗粒，所述产生交变磁场的装置产生交变磁场，磁性纳米颗粒位于该交变磁场中，其特征在于：还包括至少两块分布在所述产生交变磁场的装置的两侧且同极相对的永磁体，所述永磁体距产生交变磁场的装置的中心线的距离大致相等。

2.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：所述磁性纳米颗粒的粒径为1-100nm。

3.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：所述磁性纳米颗粒的SAR值大于50w/g。

4.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：所述产生交变磁场的装置为铁氧体线圈或螺线管线圈。

5.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：所述交变磁场的频率为50kHz-1MHz，功率为10kw-100kw。

6.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：所述同极相对的永磁体之间的距离为1-50cm。

7.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：每块所述永磁体的磁感应强度为0.1-0.5特斯拉。

8.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：对所述永磁体用循环水冷却保护。

9.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：所述永磁体的数量为两块，且其连线与产生交变磁场的装置的中心线大致垂直。

10.根据权利要求1所述基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统，其特征在于：所述永磁体的数量为四块且两组同极相对的永磁体之间的角度为30-90度。

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