CN106999719A - 用于非接触式轴向粒子旋转和解耦的粒子推进的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于磁性粒子操控的装置和方法，其能够利用产生的磁场和磁场梯度使得粒子独立地旋转和平移，该装置和方法产生了期望的解耦的平移运动和旋转运动。用于操控的装置和方法可被实现为同时涉及许多粒子。用于引起旋转运动的旋转磁场可被改变以引起粒子运动，该粒子运动与旋转磁场是同相的或异相的。本文所描述的磁场和磁场梯度可通过永久磁体、电磁体或永久磁体和电磁体的一些组合来产生。

Description

用于非接触式轴向粒子旋转和解耦的粒子推进的方法和装置
交叉引用
根据美国法典第35章第119(e)款，本申请要求在2014年10月31日提交的题目为“METHOD AND APPARATUS FOR NON-CONTACT AXIAL PARTICLE ROTATION AND DECOUPLEDPARTICLE PROPULSION”的美国临时专利申请No.62/073,360(其全部内容通过引用而并入)的优先权。
技术领域
所公开的实施方式涉及操控磁性粒子的方法和装置。
发明内容
所公开的实施方式提供了用于磁性粒子操控的装置和方法，其能够利用产生的磁场和磁场梯度使得粒子独立地旋转和平移，该装置和方法产生了期望的解耦的平移运动和旋转运动。
所公开的实施方式实现了操控这种具有超过一个磁化强度方向的粒子。
所公开的实施方式提供了可被实现为同时涉及许多粒子的用于操控的装置和方法。
所公开的实施方式提供了用于操控至少一个粒子的装置和方法，其将用于使粒子平移的磁场梯度和用于使至少一个粒子旋转的磁场组合，该方法用于同时引起粒子的平移和旋转。
所公开的实施方式提供并使用旋转磁场，以引起旋转运动，其中，旋转磁场可以被改变以引起粒子运动，该粒子运动与旋转磁场是同相的或异相的。
所公开的实施方式提供并使用可通过永久磁体、电磁体或永久磁体和电磁体的一些组合来产生的磁场和磁场梯度。
附图说明
具体的描述尤其涉及以下附图，其中：
图1至图4示出其中通过施加具有零场梯度或可忽略的场梯度(H旋转-零-梯度)的旋转磁场来实现旋转操控的实施方式。
图5至图6示出可使用超顺磁性粒子的实施方式，该超顺磁性粒子可部分地涂覆有铁磁性组分，该铁磁性组分在与粒子的长轴线垂直的方向上被磁化。
图7至图8示出根据至少一个所公开的实施方式，一旦磁场被移除，图5至图6中示出的粒子的超顺磁性主体的磁化强度将怎样经历奈耳(Neelian)松弛(由于纳米粒子内的固有磁化强度的改变而产生)。
图9至图14示出根据所公开的实施方式提供的配置，以在根据至少一个所公开的实施方式的一个或多个粒子上提供旋转力和推进力的组合。
图15示出根据至少一个所公开的实施方式的具有磁性段的圆柱体，该磁性段的长度大于两倍的圆柱体直径，且该磁性段具有沿着圆柱体的长度的磁化强度轴线。
图16示出根据所公开的实施方式提供的装置的操作的一个示例。
具体实施方式
对磁场的频繁引用需要简洁的术语索引。
具有可忽略的梯度的磁场可被称为H零-梯度。如果该磁场是旋转的，则其可被称为H旋转-零-梯度。具有零梯度的旋转场的一个示例为由这样的交流载流线圈所产生的场：该交流载流线圈围绕与该线圈的面平行的任一轴线旋转。通过使交流载流导线围绕与该导线的面平行的轴线旋转，在该线圈的中心处产生零梯度磁场。
磁场梯度可被称为H具有-梯度。如果该磁场梯度为旋转的，则其可被称为H旋转具有-梯度。具有梯度的旋转磁场可通过使狭长条形磁铁围绕其短轴线旋转(即，使该条形磁铁围绕其纵长的中点旋转)而产生。
磁性粒子具有相关联的磁场，该磁场与普通条形磁铁的磁场类似。粒子的磁场可被称为H粒子。
磁性粒子也具有磁化强度。粒子的磁化强度为构成该粒子的磁畴的磁序。粒子的磁化强度可被称为M粒子。
磁性粒子可具有两个不同的磁性段，其中，各部分具有其自己的磁化强度方向。在同一粒子上的多个可磁化段的情况下，段磁化强度可被称为M1,粒子和M2,粒子。在圆柱形粒子的情况下，M1,粒子将指代沿着圆柱体的长轴线的磁化强度，而M2,粒子将指代垂直于圆柱体的长轴线的磁化强度。
公开的实施方式涉及致动磁性粒子的方法和装置，其中，平移运动和旋转运动可解耦，其中，通过施加具有零场梯度或可忽略的场梯度(H旋转-零-梯度)的旋转磁场来实现旋转操控，并通过施加与铁磁性粒子的整体磁场(H粒子)平行对齐或逆平行对齐的旋转磁场梯度(H旋转-具有-梯度)来实现平移运动。铁磁性粒子(类似于普通条形磁铁)具有相关联的整体磁场(H粒子)。粒子的整体磁场(H粒子)通过包含在粒子内的磁畴而产生。任何磁场梯度(H梯度)与整体粒子磁化强度(M粒子)的平行对齐将引起粒子在梯度减小的方向上移动，即，远离磁梯度(H梯度)的源移动。磁场梯度(H梯度)与整体粒子磁化强度(M粒子)的逆平行对齐将引起粒子在梯度增大的方向上移动，即，朝向磁梯度的源移动。
根据公开的实施方式，作为施加具有零磁场梯度或可忽略的磁场梯度的均匀的旋转磁场(H旋转-零-梯度)的结果，具有100微米和10纳米之间的尺寸的铁磁性粒子可围绕其一个轴线进行旋转。
根据公开的实施方式，粒子的旋转和磁场(H旋转-零-梯度)的旋转可以为彼此同相或彼此异相。
根据公开的实施方式，粒子的组成可包含许多不同的载入到该粒子中或载入到该粒子上的材料或物体。这些材料或物体可包括药品、蛋白质、其它粒子、分子或细胞。该粒子也可包括电子部件，包括：电容器、电阻器、二极管、晶体管或能量收集设备(诸如葡萄糖燃料电池)。可替选地，公开的实施方式可使用可部分地涂覆有铁磁性组分的超顺磁性粒子。在涂覆有铁磁性组分的超顺磁性圆柱体的情况下，该铁磁性组分可具有与粒子的长轴线垂直的磁矩。
公开的实施方式可整体实现或部分地实现，以实现粒子的旋转，用以产生紧密接近粒子的气泡和/或真空(例如气穴)，该气泡和/或真空被用于在通过磁共振、超声波或其它已知成像技术观察期间通过增加粒子的有效醒目性来使该粒子成像，或用于通过调整圆柱体粒子上的磁性段的长度来获得单个粒子上的垂直磁化强度。在同一粒子上，粒子可具有多个铁磁性段或超顺磁性段。这些段可以为在磁力上不同的区域，意思是它们由反磁性材料分开，以及它们的磁畴(M1,粒子和M2,粒子)是彼此独立的。在单个粒子上的正交磁化强度涉及这样的粒子：该粒子具有多个磁性段，该多个磁性段的磁畴(其产生M1,粒子和M2,粒子)产生彼此成90度角存在的磁场。
粒子的非接触式操控可按照惯例通过将磁场施加至可磁化的粒子来实现，如由D.L.Fan等在2005年6月的期刊《Physical Review Letters》第94卷、第247208号文章、题目为“Controllable High-Speed Rotation of Nanowires”的公开物(其全部内容通过引用而并入本文)中所教导的。关于旋转毫米级磁性材料和设备的主题的早期研究已经集中于手性材料，如由K.Ishiyama等在2001年的《Sensors and Actuators A》第91卷、第141-144页的他们的公开物“Swimming micro-machine driven by magnetic torque”(其全部内容通过引用而并入本文)中所设想的。
各种论文已经展示了通过旋转螺旋形结构的微米级钻头和纳米级钻头，如由Ambharish Ghosh和Peer Fischer在2009年的期刊《Nano Letters》第9(6)卷、第2243-2245页公开的公开物“Controlled Propulsion of Artificial Magnetic NanostructuredPropellers”(其全部内容通过引用而并入本文)中、以及如由Kathrin E.Peyer等在2013年的期刊《Chemistry A European Journal》第19卷、第28-38页的公开物“Magnetic HelicalMicromachines”(其全部内容通过引用而并入本文)中所教导的。
在现有技术中，螺旋形粒子的旋转通过将均匀的旋转磁场(H旋转-零-梯度)施加至该粒子来实现。在上文提及的微螺旋形设备(Ghosh和Fischer(2009)、Peyer等(2013))情况下，磁场(H旋转-零-梯度)的定向在与粒子的预期平移方向正交的方向上。此外，在微螺旋形设备的情况下，设备的旋转引起设备的平移。
此外，如由Brandon H.McNaughton等在2006年的期刊《Physical Chemistry B》第100(38)卷、第18958-18964页的公开物“Sudden Breakdown in Linear Response of aRotationally Driven Magnetic Microparticle and Application to Physical andChemical Microsensing”(其全部内容通过引用而并入本文)中已经教导的：在旋转磁场(H旋转-零-梯度)中的磁性粒子将保持与磁场同相，直到该磁性粒子处于磁场不足以强到驱动该粒子的同相旋转的点处。驱动粒子旋转运动的旋转磁场(H旋转-零-梯度)必须克服用于使粒子保持与旋转磁场同相的粒子上的粘滞拖曳力。因为拖曳力随着粒子的旋转速度而增加，所以存在这样的一些频率：以这些频率给定的旋转磁场变得不足以继续驱动粒子与旋转磁场同相的旋转运动。
当粒子上的拖曳力变得比由旋转磁场所产生的驱动力大时，粒子旋转滑动成与驱动磁场旋转异相。该界限被称为“临界滑动点”。出现临界滑动的点是由于以下数个因素而产生：主要是由周围的一种(或多种)流体或一种(或多种)材料施加在粒子上的拖曳、旋转磁场的强度以及粒子的整体磁性能。
由于考虑了对于现有技术的理解，故公开的实施方式使得粒子与旋转磁场同相地旋转或与旋转磁场异相地旋转。可通过施加旋转磁场来控制粒子与旋转磁场异相的旋转。
如由Ghosh等和Peyer等所教导的磁力致动的粒子的在先应用采用了螺旋线圈，依靠该螺旋线圈来推进平移运动和旋转运动的耦合。相反，本发明所公开的实施方式提供了致动磁性粒子的方法和装置，其中，平移运动和旋转运动是解耦的。
在本公开中，应该理解的是本文所描述的几何结构以及本文所使用的词汇对于本发明是特定的。例如，短语“长轴线”和“短轴线”分别指代圆柱体的轴向轴线和径向轴线。长轴线连接圆柱体的两个基底的中心。径向轴线位于圆柱体的两个基底之间的中点处，并平行于圆柱体的基底。圆柱体可具有任意纵横比，然而为了简单起见，术语“长轴线”始终指代连接圆柱体的面的中心的轴线。注意：对于非正圆形圆柱体的圆柱体，该长轴线可不垂直于圆柱体基底。
图1至图4示出一种实施方式，其中通过施加具有零场梯度或可忽略的场梯度的旋转场来实现旋转操控。旋转磁场可通过电磁的永磁体来提供。可以施加100Hz到1000Hz(或其它值)的旋转频率。在本实施方式中，通过施加与铁磁性粒子的磁场(H粒子)平行地对齐的旋转磁场(H旋转-零-梯度)来实现平移运动。在该定向中，通过旋转磁场来引起粒子的旋转。当粒子的磁场(H粒子)与旋转磁场(H旋转-零-梯度)同相时仅实现粒子旋转。当粒子的磁场(H粒子)与旋转磁场(H旋转-零-梯度)成180度的异相时，实现粒子旋转和粒子平移。
当调整旋转磁场(H旋转-零-梯度)使得其与粒子磁场(H粒子)成180度的异相时，旋转磁场的磁北与粒子的磁北对齐。旋转磁场的“磁北”与粒子的“磁北”的对齐产生了将粒子移动远离旋转磁场的源的排斥力。旋转磁场的磁南方向同样对粒子的磁南场产生作用。在这个配置中，在梯度减小的方向上，引导粒子远离旋转磁场的源。在本实施方式中，圆柱体被直径地磁化。当圆柱体的磁矩在与圆柱体的面平行的平面中对齐时，出现直径的磁化强度。因此，在圆柱体的短轴线的方向上磁化粒子。
如在图1至图4中所示，粒子是圆柱形形状且粒子被直径地磁化。然而，应该理解的是相同原理可应用于许多粒子形状并可应用于被以其它方式磁化的粒子。
此外，应该理解的是，虽然在图1至图4中示出的是单个粒子，但公开的实施方式适用于操控多个这样的粒子(不考虑形状)，例如，许多这样的粒子的集合。
根据所公开的实施方式，由于具有零磁场梯度或可忽略的磁场梯度的均匀的旋转磁场(H旋转-零-梯度)，因而纳米级(例如30nm或更小)尺寸的粒子或更大的粒子可围绕其一个轴线进行旋转。
虽然段落[0023]描述了本发明的一个实施方式，其中驱动旋转磁场(H旋转-零-梯度)与粒子的磁场(H粒子)成180度的异相，但其它的实施方式可包括粒子的磁场(H粒子)成一些其它角度数值的异相。
如在图1至图4中示出，所公开的实施方式使用至少一个粒子130，该粒子130包含至少一个磁性组成部分140或可磁化的组成部分140。粒子130可由聚合物、金属、绝缘体、半导体、陶瓷、纳米材料或这些材料的任意组合构成。此外，粒子130可以为实心的、中空的、多孔的、两相的、多相的、同轴的或这些结构的任意混合。粒子130可包含至少一个可磁化的部分140，为了说明，该可磁化的部分140呈现出在图1至图4中的由空箭头160指示的方向上的磁化强度160。字母“N”和“S”分别用于表示对于所施加的磁场150和155以及粒子的磁性组成部分140的“北”磁极和“南”磁极。
因此，图1至图4描绘了在由磁体150和磁体155所提供的各个磁场中的粒子130。面板(panel)10(图1)、面板20(图2)、面板30(图3)以及面板40(图4)表示时间中的各个点。在本公开中，应该理解的是，粒子的磁化强度取向160可通过施加由一个或多个磁体150提供的初始磁场来设定，如图1中的面板10所示。在放置在粒子操控装置中之前，粒子的磁性段140或可磁化段140可被磁化，如图1中的面板10所示。在图1至图4中示出的圆柱形粒子130的情况下，粒子磁化强度160可以在与圆柱体的面平行的方向上(直径的磁化强度)。
在稳定的磁场中，这样的粒子130可与磁场对齐。在足够强且足够慢的旋转磁场(H旋转-零-梯度)中，在20(图2中所示)处，粒子可与所施加的磁场同相地旋转。对于给定的磁场，驱动旋转磁场和粒子将以给定的黏度(围绕粒子的黏度)和给定的最大的驱动的旋转磁场(H旋转-零-梯度)频率保持同相。在时间20处的该配置中，粒子130将保持与所施加的旋转磁场155(H旋转-零-梯度)逆平行地定向，且与所施加的旋转磁场155(H旋转-零-梯度)同相。因为所施加的旋转磁场155(H旋转-零-梯度)由电源驱动，因而所施加的旋转磁场(H旋转-零-梯度)的旋转频率的范围可从小于100Hz到大于1000Hz。
粒子的旋转频率是由旋转磁场(H旋转-零-梯度)驱动，并受到通过围绕材料的黏度、磁场的强度和粒子的磁性能而置于其上的物理约束。出现在20处的粒子旋转可通过具有可忽略的场梯度的旋转磁场(H旋转-零-梯度)来实现。在时间20处的同相旋转期间，粒子的磁性段140可与所施加的旋转磁场155逆平行地对齐160。因此，粒子仅旋转。因此，根据所公开的实施方式，平移运动与旋转运动解耦。为了描述所公开的实施方式的目的，术语粒子的“解耦的旋转和平移”意味着可以在粒子外部独立地控制旋转和平移，而基本上不会改变粒子的形状。
根据所公开的实施方式，可通过改变所施加的旋转磁场的两个参数来实现平移运动。在这样的实现方式中，在30(在图3中示出)处，可调整旋转磁场155的旋转频率使得粒子130比旋转磁场165落后大约180度。这可通过各种方法来实现，包括：当粒子旋转时增大旋转场频率、降低磁场强度、或增大围绕粒子的材料的黏度以增大该粒子上的拖曳。因为旋转磁场和粒子的磁场成大约180度异相，所以驱动的旋转磁场和粒子的磁场(H粒子)可彼此平行地对齐。
随后，在时间40(图4)处，磁场梯度190可被添加到旋转磁场155。因此，可产生在与粒子的磁化强度165的矢量垂直的方向上移动粒子的排斥力。如图1至图4所示，排斥力可在磁梯度减小的方向上。因此，根据所公开的实施方式，旋转磁场可驱动粒子旋转，且场梯度可引起平移运动。因此，根据所公开的实施方式，可在引起平移运动的情况下或不引起平移运动的情况下实现旋转运动。
根据所公开的实施方式，磁场可通过由Irving Weinberg博士的现有发明(包括美国专利8,466,680和美国专利8,154,286(二者的全部内容通过引用而并入本文)、以及由其提交的相关专利申请(通过交叉引用的、作为优先权的或并入的))部分地或整体地描述的电磁体和/或永磁体的装置来施加。
例如，如在这些公开物中所教导的，所施加的磁场可具有非常短的转换时间，从而不会导致身体上不舒服的感觉。更具体地，在由Aleksandar N.Nacev和Irving N.Weinberg在2015年10月2日提交的、题目为“Pulsed Gradient Field Method to Counteract aStatic Magnetic Field for Magnetic Particle Focusing”的现有美国专利申请14/873,738(其全部内容通过引用而并入)中，公开了推进粒子的策略，其中，首先将可磁化的粒子在一个方向上极化和/或对齐，然后在短时间内(例如小于其为了极化至衰变而耗费的时间)，将另一方向上的磁场施加至初始极化的粒子。如Nacev和Weinberg所公开的，这个策略可应用多次。
所公开的实施方式也可以通过结合在2014年2月18日提交的题目为“SYSTEM,METHOD AND EQUIPMENT FOR IMPLEMENTING TEMPORARY DIAMAGNETIC PROPULSIVEFOCUSING EFFECT WITH TRANSIENT APPLIED MAGNETIC FIELD PULSES”的美国专利公布20140309479(其全部内容通过引用而并入本文)中所公开的技术来实现。因此，应该理解的是，所公开的实施方式可通过结合用来施加排斥(例如，反磁性的)力和/或推进(例如，吸引的)力以操控一个或多个可磁化的粒子的磁场的产生和施加而实现，例如通过建立具有预极化脉冲或不具有预极化脉冲的合适的磁梯度场来操控一个或多个可磁化的粒子。
此外，粒子的组成可包含载入到粒子中或载入到粒子上的许多不同的材料或物体。这些材料或物体可包括药物、蛋白质、其它粒子、分子或细胞。粒子也可包括电子部件，电子部件包括电容器、电阻器、二极管、晶体管或能量收集设备(诸如葡萄糖燃料电池)。
可替选地，所公开的实施方式可以使用可部分地涂覆有铁磁性组分的超顺磁性粒子。铁磁性部分可具有垂直于粒子的长轴线磁化的段(M2,粒子)。这种配置示出在图5示出的面板201中。在这样的实施方式中，铁磁性层340在体积上可仅为整个粒子300的总体积的0.1％。在一个实现方式中，粒子300的主体(bulk)可由具有磁矩335的超顺磁性材料构成，该磁矩335在磁场的外部随机地定向。注意，粒子300的超顺磁性部分将具有非常靠近铁磁性层340的段，该段与铁磁性层340的磁化强度平行地对齐。超顺磁性材料的磁矩在磁场的外部基本上无序。虽然薄的铁磁性层340确实提供一些局部磁场，但该磁场是微弱的，且仅影响粒子的主体超顺磁性材料的磁矩的一小部分。因此，如图6中所示，可通过将粒子300置于由磁体299提供的磁场中来执行磁化薄的铁磁性层的磁矩340的操作。因此，粒子300的超顺磁性主体的磁矩335也与该场对齐。然而，一旦移除磁体，超顺磁性主体的磁化强度也将经历奈耳松弛，如图7至图8中所示。
在至少一个实施方式中，粒子可采用长度大于宽度(例如纵横比大于1)的圆柱体的形状。在这个配置中，粒子300的主体的磁矩之间可能存在相互作用，这可加强粒子300与所施加的磁场的磁性对齐。这个力可与薄的铁磁性层340的对齐行为直接相反。
根据至少一个公开的实施方式，薄的铁磁性层磁矩340可被直径磁化345(M2,粒子)；因此，施加至少一些设计好的磁场可引起粒子的长轴线与磁场垂直地对齐。
此外，在本发明的至少一个实施方式中，粒子的长轴线可与以一个范围的场强度的磁场逆平行地对齐，且该粒子的长轴线可与以另一范围的场强度的磁场垂直地对齐。这可以归因于粒子300的薄的铁磁性段磁矩340或超顺磁性段主体的磁矩335与磁场对齐的能量平衡。当用于粒子的超顺磁性主体的磁矩335中的偶极-偶极对齐的推动力克服了将粒子的薄的铁磁性层340与磁场垂直对齐的能量障碍时，与粒子300的超顺磁性主体对齐可占上风。
存在两种粒子对齐模式。一种模式可被称为“以主体为主的”对齐模式。另一种模式可被称为“以薄层为主的”对齐。以主体为主的对齐和以薄层为主的对齐可由于通过磁体399施加磁场而产生。磁体399可以为电磁体、永久磁体或二者的一些组合。在以主体为主的对齐期间，粒子的长轴线可与所施加的磁场对齐(在图7的面板301中示出)。在以薄层为主的对齐期间，粒子的长轴线可与所施加的磁场垂直对齐(在图8的面板302处示出)。
图4示出了根据所公开的实施方式提供的配置，以向一个粒子或多个粒子提供旋转力和推进力的组合。如在图9的面板410中所示，可移除施加的所有磁场。因此，因为粒子300的主体是超顺磁性的，所以粒子的主体的磁矩335可经历Neel松弛335。然而，应该理解的是，粒子的铁磁性层的磁矩由于它们是铁磁性的而经历可忽略的奈耳松弛。
随后，在时间或阶段420，可以施加旋转磁场500。该旋转磁场500可使用薄层为主的对齐模式。因此，在420处(图10)，施加与粒子的长轴线正交且与薄的铁磁性段340的磁矩平行的磁场。因此，粒子300的超顺磁性段335的磁化强度可被重新排序，以垂直于粒子的长轴线布置。
然而，显著地，粒子本身不会重定向成与磁场对齐(如图7的301中所示)；这是因为旋转磁场500显著地比图7的301中示出的对齐磁场弱。磁场是可加的，因此旋转磁场与对齐磁场组合产生进动(precessing)磁场，其中，进动具有远离旋转磁场的轴线的一些角度。
图7的301中示出的对齐磁场可被移除或衰减，而仅旋转磁场500存在于图8中。因此，通过允许粒子300的薄的铁磁性段340与旋转磁场500(H旋转-零-梯度)对齐来实现系统的能量最小值。如在420(图10)处和430(图11)处示出，由于旋转场500围绕粒子的长轴线旋转(420、430处的虚线)，因而粒子300可围绕其长轴线旋转。在施加旋转场之后，可以移除旋转磁场磁体，并且可以使粒子的超顺磁性主体的磁矩335经历奈耳松弛。
如面板440中所示(图12)，可通过使在面板420(图10)和面板430(图10)中施加的旋转磁场500(H旋转-零-梯度)与面板450(图13)和面板460(图14)中示出的推进磁场(H零-梯度)交叉，来实现平移推进。通过使用磁体510施加强磁场梯度(H零-梯度)，粒子的超顺磁性主体将具有暂时与由一对磁体510产生的强对齐磁场逆平行对齐的磁矩335。应该理解的是，由图13中的磁体510产生的对齐磁场可以通过应用电磁体或永久磁体来实现。
粒子300在空间中的整体物理对齐可通过强对齐磁场来实现。在施加强对齐磁场期间，粒子主体的超顺磁性磁矩335可大力促进沿着粒子300的长轴线与磁场的对齐。由于粒子300主要地由超顺磁性材料构成，因而可通过与磁体510所产生的强对齐磁场对齐的粒子300获得能量最小值。相反，铁磁性组成部分340可具有与强对齐磁场正交的磁矩345。这是由于由粒子主体的超顺磁性磁矩335所导致的压制性的对齐力大力促进在450处与磁场对齐。
可以通过移除对齐磁场(H零-梯度)磁体510并施加在与对齐磁场逆平行520的方向上的磁场梯度(H具有-梯度)的快速脉冲来实现推进。结果可以是与先前由Aleksandar Nacev和Irving Weinberg所公开的推进力类似的推进力530。
在这样的实施方式中，参照图9至图14，在面板410至面板460中执行的操作可表示时间中的顺序点。这些操作可使得强对齐磁场和旋转磁场交叉，以在430处实现粒子的对齐操控和旋转操控。因此，在至少本实施方式中，可通过交叉磁性脉冲以顺序地借助于平行对齐或逆平行对齐的磁场梯度(H具有-梯度)来对齐粒子、平移粒子，并借助具有零梯度或可忽略的梯度的旋转磁场(H旋转-零-梯度)来旋转粒子，从而实现旋转和平移。
所公开的实施方式的应用可以改变。身体中的组织和流体是具有粘弹性性能的非牛顿材料，该粘弹性性能阻碍了粒子在磁性导向下的运动。已知的是，非常小的气泡可改变粒子在粘性流体中的运动，如由A.Maali和B.Bhushan在2013年(25)的期刊《Physics:Condensed Matter》的第184003页出版的、题目为“Nanobubbles and their role in slipand drag”的文章(其全部内容通过引用而并入)中所教导的。
本发明所公开的实施方式可整体实现或部分地实现，以使得粒子能够旋转，用以产生紧密接近粒子的气泡和/或真空(例如气穴)。因此，气穴可作为粒子表面和周围媒介之间的低阻力分界来用于润滑粒子。在另外的实施方式中，在利用磁共振、超声波或参考引用且并入本文中的讨论的其它已知成像技术观察期间，气穴可通过增加粒子的有效醒目性而有助于对粒子进行成像。
在另外的实施方式中，在利用磁共振、超声波或参考引用且并入本文中的讨论的其它已知成像技术观察期间，旋转可以用于通过增加粒子的有效醒目性来对粒子进行成像。例如，粒子的旋转会影响粒子对从源撞击到该粒子的能量的吸收或反射。
另外，所公开的实施方式可用于通过制造粒子的具有特定长度或长度比率的一个或多个磁性部分来增加粒子的部分与所施加的磁场的耦合效率。作为示例，如图15中所示，具有比圆柱体直径的二倍大的长度的磁性段的圆柱体将具有沿着圆柱体的长度的易磁化轴线。杆长与在特定方向上免于磁化的关系，由Love等在2003年(125)的期刊《AmericanChemical Society》的第12696至12697页出版的他们的公开物“Three-Dimensional Self-Assembly of Metallic Rods with Submicron Diameters Using MagneticInteractions”(其全部内容通过引用而并入本文)中教导。
实现垂直于圆柱体的长轴线而磁化的圆柱体上的磁性段(M2,粒子)的一个方法可通过使得磁性段比圆柱体本身的直径短来实现。因此，可通过在单个圆柱体上形成至少两个磁性段来制造具有垂直强化强度M1,粒子和M2,粒子的圆柱体，如图15的阶段700中所示。因此，可提供具有圆柱体直径的至少两倍的长度的一个或多个磁性段710(M1,粒子)和具有比圆柱体直径小的长度的一个或多个段720(M2,粒子)，各个磁性段通过非磁性材料730来分离。如图15中所示，箭头表示段710、段720的每一者的磁化方向。
图16示出了根据所公开的实施方式提供的装置的操作的示例。如图16中所示，提供多个(例如四个)电磁体903以及一个永磁体906，以便以规定的方式操控粒子905。要注意的是，图16中的电磁体可提供具有零梯度或可忽略的梯度的磁场。另外，要注意的是，图16中示出的粒子可具有载入在单个粒子上的两种磁化强度。用粒子905的主体上的箭头来示出各个磁化方向。在操作中，该装置与计算机901组合并使用计算机901来产生用于驱动四个电磁体903的信号。计算机901可由能够向电磁体903供应电流的另一信号发生设备来替代。例如，可使用脉冲的电源。在将由计算机901所产生的信号发送到电磁体903之前，可通过放大器902放大该信号。
图16还示出电磁体可通过双通道信号来驱动；然而，双通道的示范仅意图作为示例性的。应该理解的是，所公开的实施方式可包括两个电磁体、八个电磁体或更多个电磁体。同样地，电磁体可由来自计算机901或其它信号发生器的单通道信号、来自计算机901或其它信号发生器的八通道信号或更多通道的信号来驱动。另外，电磁体可用于使用RF脉冲激励粒子，用以加热该粒子，从而局部地引起高热。
图16演示了通过由电磁体903所提供的旋转场所产生的、围绕杆的长轴线的旋转904。永磁体906可用于提供磁场梯度。应该理解的是，该磁场梯度可利用电磁体来产生，且可随着时间进程改变幅度和频率。
应该理解的是，在本文中所解释的操作可结合一个或多个通用计算机来实现，或者在一个或多个通用计算机的控制下来实现，该一个或多个通用计算机运行软件算法以提供本发明所公开的功能，并将这些计算机转变为专用计算机。
此外，本领域技术人员将认识到，在考虑以上技术时，以上示例性实施方式可基于使用编程有合适的计算机程序的一个或多个编程的处理器。然而，可使用硬件部件等同物(诸如专用硬件和/或专用处理器)来实现所公开的实施方式。类似地，可使用通用计算机、基于微处理器的计算机、微控制器、光学计算机、模拟计算机、专用处理器、专用电路和或专用的硬布线逻辑来构造替选的等同实施方式。
此外，应该理解的是，可使用软件指令来提供用于施加本文所描述的操控一个或多个粒子的磁场的仪器的部件(例如磁体)的控制和协作，该软件指令可存储在有形的、非暂时性的存储设备(诸如存储指令的非暂时性计算机可读存储设备)中，当在一个或多个编程的处理器上执行该指令时，执行上述的方法操作和得到的功能。在这种情况下，术语“非暂时性的”意图排除传输的信号和传播的波，而不是排除可擦除的或取决于电源以保持信息的存储设备。
因此，这样的仪器可包括一个或多个可控的电磁场源和能够控制产生的本文所描述的磁场的控制器。在一个这样的实现方式中，可以在能够控制梯度的控制器的控制下使用一个或多个梯度线圈，以利用至少一个线圈驱动器产生一个或多个磁场，其中提供一个或多个线圈以用于将RF能量发送到作为诊断、预报和/或处理的部分的身体部分的组织样本中。
本领域技术人员将理解，在考虑以上技术时，用于实现某些上述实施方式的程序操作和处理以及相关联的数据可以使用盘式存储器以及其它形式的存储设备来实现，其它形式的存储设备包括但不限于非暂时性存储媒介(其中，非暂时性仅意图排除传播信号，而不是因为通过移除电源或通过明确的擦除动作而被擦除的暂时性的信号)，诸如例如只读存储器(ROM)设备、随机存取存储(RAM)设备、网络存储设备、光学存储元件、磁性存储元件、磁光存储元件、闪存、磁芯存储器和/或不脱离本发明的某些实施方式的其它等同的易失性存储技术和非易失性存储技术。此类替选的存储设备应该被认为是等同物。
根据至少一个实施方式，提供了用于使粒子旋转和平移的装置和方法，其中，粒子的至少某部分或某组成部分包含可磁化材料，其中，粒子的旋转与粒子的平移运动是解耦的。为了本公开的目的，术语“解耦的”意指改变粒子的平移速度和旋转速度之间的比率的能力。该解耦是与现有技术不同的，例如，在现有技术中，磁性粒子已经被制造或配置成螺旋形或弧形，以便钻进到媒介中或穿过媒介。在这样的示例中，平移速度与旋转速度的比率不是可变的，因为该比率通过螺旋形或弧形的几何结构而被设定。现有技术的示例通过UKCheang、F Meshkali、D Kim、MJ Kim以及H C Fu在2014年的期刊《Physical Review E》(第90卷，033007)的题目为“Minimal geometric requirements for micrpropulsion viamagnetic rotation”的文章提出。
根据至少一个实施方式，粒子可具有带这样的特征的段：具有近似1纳米的尺寸或更大的任意尺寸。
根据至少一个实施方式，施加到粒子的旋转场的范围可从1Hz到1000Hz。
根据至少一个实施方式，用于受操控的粒子的电磁体可被操作成产生交替的磁场。该电磁体可被以射频进行操作，且该操作可用于激励粒子的磁畴的快速改变。粒子的磁畴的快速改变可用于将快速切换的磁能转换为从粒子发出的热能。
根据至少一个实施方式，粒子可由聚合物材料、金属材料、绝缘材料、半导体材料、陶瓷材料或这些材料的任意组合构成。根据至少一个实施方式，粒子可容纳电子、分子/药物、蛋白质、细胞或能量收集部件。
根据至少一个实施方式，粒子可携带能够发光(例如通过携带磷光性材料发光)的段，或能够使用RF场而被加热的段，该RF场用于供应热能以进行高热处理。磁性粒子引起的高热是这样的工艺：通过该工艺，交替的磁场用于激励放置在人体或动物体内的磁性粒子。交替的场激励可以以射频来执行。粒子激励引起粒子加热。该加热可用于破坏或杀死在粒子附近的细胞。通过使用磁场和场梯度来局部化磁性粒子，释放的热能可被对准至围绕该粒子的区域，如由Andre C.Silva等在2011年的国际期刊《Nanomedicine》第6卷、第591至603页出版的公开物“Application of hyperthermia induced by superparamagneticiron oxide particles in glioma treatment”中所教导的。
根据至少一个实施方式，粒子的旋转减小了对于运动的有效阻力。对于运动的有效阻力的减小可通过局部减小周围生物材料、组织或流体的有效黏度来实现。例如，组织为剪切变薄的材料。这意味着当施加到组织的剪切增加时，组织的有效黏度减小。粒子的旋转产生了围绕粒子的剪切力，并且该剪切力可减小粒子周围的组织的有效黏度。此外，所施加的剪切力可导致运动屏障，诸如由于产生的剪切力而引起的待被移动的蛋白质或斑块的聚集。可替选地，剪切力可用于引起粒子在与平移方向垂直的方向上的平移。
根据至少一个实施方式，粒子的旋转增加了成像下的醒目性。根据至少一个实施方式，溶液包含多个粒子和/或多个不同类型的粒子，即，容纳电子的粒子的集合，和/或包含分子/药物的粒子的集合，和/或操作为能量收集部件的粒子的集合。根据至少一个实施方式，粒子的旋转增大了在媒介中的平移速度。媒介可以为牛顿式的或非牛顿式的。根据至少一个实施方式，如果粒子携带有效负载(例如药物)，则粒子的旋转改变有效负载的释放速率。根据至少一个实施方式，粒子的旋转例如通过对粒子的部分之间的接头部的加压，来改变粒子的退化的速率或模式。
所示出的实施方式包括用于使至少一个粒子旋转和平移的装置，该装置包括：用于产生磁力和磁转矩的机构；以及至少一个粒子，其中，所述至少一个粒子的至少某部分包含可磁化材料，其中，所产生的磁力被施加于所述至少一个粒子的至少某部分，以引起粒子的平移运动，其中，所产生的磁转矩被施加于相同的至少一个粒子的至少某其它部分，以引起粒子的旋转，且其中，粒子的平移速度和旋转速度的比率是变化的。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，粒子被引入到身体中，并当粒子在身体中时，粒子的平移速度和和旋转速度的比率是变化的。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，用于产生磁力的机构包括用于产生范围从1Hz到1000Hz的旋转场的机构。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子由聚合物材料、金属材料、绝缘材料、半导体材料、陶瓷材料或这些材料中的至少两者的组合构成。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子容纳电子、分子/药物、蛋白质、细胞或能量收集部件。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子携带能够发光的段。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子能够使用射频辐射来加热。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子能够使用交替的磁场来加热。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子能够携带有效负载。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转减小对于运动的有效阻力。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转增加成像下的醒目性。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转增大在媒介中的平移速度。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转修改包含在该至少一个粒子中的有效负载的释放。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转修改该至少一个粒子的退化。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转和该至少一个粒子的解耦的平移运动中的至少一者通过结合用来施加排斥力和/或推进力以操控该至少一个粒子的磁场的产生和施加而实现。所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，通过建立具有预极化脉冲或不具有预极化脉冲的合适的磁梯度场来执行对至少一个粒子的操控。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，该实施方式还包括包含多个粒子的溶液，所述多个粒子包括该至少一个粒子，该多个粒子中的每个粒子包括包含可磁化材料的某部分或某组成部分，其中，引起多个粒子中的每个粒子的旋转的磁转矩与引起平移运动的磁力解耦。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，引起该至少一个粒子的旋转的磁场的幅度和频率与引起该至少一个粒子的平移的磁场梯度的幅度和频率是独立的。所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，用于引起该至少一个粒子平移的磁场梯度的幅度在时间上是恒定的。类似地，所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，磁场梯度的幅度在时间上是变化的。
所示出的实施方式包括用于使至少一个粒子旋转和平移的方法，该方法包括：针对至少一个粒子产生并施加磁力和磁转矩，其中，该至少一个粒子包括至少两个段，所述至少两个段中的每一者包含可磁化材料；将磁力施加到至少一个段，从而引起粒子的平移运动；以及，将磁转矩施加到至少一个其它的段，从而引起粒子的旋转运动，其中粒子的所得到的平移速度和旋转速度的比率是变化的。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，粒子被引入到身体中，并且当粒子在身体中时，粒子的平移速度和和旋转速度的比率是变化的。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，磁力的产生使得产生范围从1Hz到1000Hz的旋转场。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子由聚合物材料、金属材料、绝缘材料、半导体材料、陶瓷材料或这些材料中的至少两者的组合构成。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子容纳电子、分子/药物、蛋白质、细胞或能量收集部件。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子携带能够发光的段。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子能够使用射频辐射来加热。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子能够使用交替的磁场来加热。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子能够携带有效负载。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转减小对于运动的有效阻力。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转增加成像下的醒目性。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转增大在媒介中的平移速度。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转修改包含在该至少一个粒子中的有效负载的释放。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转修改该至少一个粒子的退化。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子的旋转和该至少一个粒子的解耦的平移运动中的至少一者通过结合用来施加排斥力和/或推进力以操控该至少一个粒子的磁场的产生和施加而实现。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，通过建立具有预极化脉冲或不具有预极化脉冲的合适的磁梯度场来执行对至少一个粒子的操控。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，该至少一个粒子为多个粒子中的一个粒子，其中，该多个粒子中的每个粒子包括包含可磁化材料的某部分或某组成部分，其中，引起多个粒子中的每个粒子旋转的磁转矩与引起平移运动的磁力解耦。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，包含多个粒子的溶液包括该至少一个粒子，该多个粒子中的每个粒子包括包含可磁化材料的某部分或某组成部分，其中，引起多个粒子中的每个粒子的旋转的磁转矩与引起平移运动的磁力解耦。
所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，引起该至少一个粒子的旋转的磁场的幅度和频率与引起该至少一个粒子的平移的磁场梯度的幅度和频率是独立的。所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，用于引起该至少一个粒子平移的磁场梯度的幅度在时间上是恒定的。类似地，所示出的实施方式包括这样的实施方式，其中，磁场梯度的幅度在时间上是变化的。
虽然已经描述了某些说明性实施方式，但显然根据前述描述，许多替选方案、修改、置换和变型对于本领域技术人员将变成显而易见的。虽然已经在上面概述了所示出的实施方式，但显然许多替选方案、修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，如上所述的本发明的各个实施方式意图进行说明，而非进行限制。可进行各种改变而不脱离本发明的精神和范围。
因此，对于本领域技术人员显而易见的是，所描述的说明性实施方式仅为示例，且可在如所附权利要求限定的本发明的范围内进行各种修改。

Claims (20)

1.一种用于使至少一个粒子旋转和平移的装置，所述装置包括：
用于产生磁力和磁转矩的机构；
至少一个粒子，其中，所述至少一个粒子中的至少某部分包含可磁化材料，
其中，所产生的所述磁力被施加于所述至少一个粒子的至少某部分，以引起所述粒子的平移运动，
其中，所产生的所述磁转矩被施加于相同的所述至少一个粒子的至少某其它部分，以引起所述粒子的旋转，以及
其中，所述粒子的平移速度和旋转速度的比率是能够变化的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述粒子被引入到身体中，并且当所述粒子在所述身体中时，所述粒子的所述平移速度和所述旋转速度的比率是变化的。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，用于产生磁力的所述机构包括用于产生范围从1Hz到1000Hz的旋转场的机构。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个粒子由聚合物材料、金属材料、绝缘材料、半导体材料、陶瓷材料或这些材料中的至少两者的组合构成。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个粒子容纳电子、分子/药物、蛋白质、细胞或能量收集部件。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个粒子的所述旋转和所述至少一个粒子的解耦的所述平移运动中的至少一者通过结合用来施加排斥力和/或推进力以操控所述至少一个粒子的磁场的产生和施加而实现。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，通过建立具有预极化脉冲或不具有预极化脉冲的合适的磁梯度场来执行对所述至少一个粒子的操控。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个粒子为多个粒子中的一个粒子，其中，所述多个粒子中的每个粒子包括包含可磁化材料的某部分或某组成部分，其中，引起所述多个粒子中的每个粒子的旋转的磁转矩与引起平移运动的所述磁力解耦。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括包含多个粒子的溶液，所述多个粒子包括所述至少一个粒子，其中，所述多个粒子中的每个粒子包括包含可磁化材料的某部分或某组成部分，其中，引起所述多个粒子中的每个粒子的旋转的磁转矩与引起平移运动的所述磁力解耦。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，引起所述至少一个粒子的旋转的磁场的幅度和频率与引起所述至少一个粒子的平移的磁场梯度的幅度和频率是独立的。
11.一种用于使至少一个粒子旋转和平移的方法，所述方法包括：
针对至少一个粒子产生并施加磁力和磁转矩，其中，所述至少一个粒子包括至少两个段，所述至少两个段中的每一者包含可磁化材料；
将所述磁力施加到至少一个段，从而引起所述粒子的平移运动；
将所述磁转矩施加到至少一个其它的段，从而引起所述粒子的旋转运动，
其中，所述粒子的所得到的平移速度和旋转速度的比率是能够变化的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述粒子被引入到身体中，并且当所述粒子在所述身体中时，所述粒子的所述平移速度和所述旋转速度的比率是变化的。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述磁力的产生使得产生范围从1Hz到1000Hz的旋转场。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个粒子由聚合物材料、金属材料、绝缘材料、半导体材料、陶瓷材料或这些材料中的至少两者的组合构成。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个粒子容纳电子、分子/药物、蛋白质、细胞或能量收集部件。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个粒子的所述旋转和所述至少一个粒子的解耦的所述平移运动中的至少一者通过结合用来施加排斥力和/或推进力以操控所述至少一个粒子的磁场的产生和施加而实现。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，通过建立具有预极化脉冲或不具有预极化脉冲的合适的磁梯度场来执行对所述至少一个粒子的操控。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个粒子为多个粒子中的一个粒子，其中，所述多个粒子中的每个粒子包括包含可磁化材料的某部分或某组成部分，其中，引起所述多个粒子中的每个粒子的旋转的磁转矩与引起平移运动的所述磁力解耦。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，包含多个粒子的溶液包括所述至少一个粒子，所述多个粒子中的每个粒子包括包含可磁化材料的某部分或某组成部分，其中，引起所述多个粒子中的每个粒子的旋转的磁转矩与引起平移运动的所述磁力解耦。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，引起所述至少一个粒子的旋转的磁场的幅度和频率与引起所述至少一个粒子的平移的磁场梯度的幅度和频率是独立的。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113712529A (zh) * 2020-05-24 2021-11-30 温伯格医学物理有限公司 用于使用体内可磁化装置测量和灭活病原体的方法和设备

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108814599A (zh) * 2017-03-16 2018-11-16 温伯格医学物理有限公司 用于创伤的快速评估和处理的方法和装置
US10888243B2 (en) 2017-06-22 2021-01-12 Weinberg Medical Physics Inc Non-invasive method for focal deep-brain stimulation equipment and methodologies
US11607285B2 (en) * 2017-08-02 2023-03-21 Weinberg Medical Physics, Inc Apparatus, system and methodologies for biopsy or removal of tissue or adding material to tissue using a magnetically-actuated capsule
JP2020042879A (ja) * 2018-09-12 2020-03-19 キオクシア株式会社 磁気記憶装置
US20210322680A1 (en) * 2020-04-17 2021-10-21 Weinberg Medical Physics Inc Method and apparatus for implementing magnetic micro-syringes

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070197953A1 (en) * 2003-07-18 2007-08-23 Slade Robert A Magnetic particles for therapeutic treatment
US20100259259A1 (en) * 2005-09-21 2010-10-14 Markus Zahn Systems and methods for tuning properties of nanoparticles
US20130079623A1 (en) * 2010-04-01 2013-03-28 Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg Imaging Method using Magnetic Small Particles and Corresponding Device

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4053433A (en) * 1975-02-19 1977-10-11 Minnesota Mining And Manufacturing Company Method of tagging with color-coded microparticles
US6002314A (en) 1999-02-11 1999-12-14 Gray; Robert W. Utilization of magnetic bubbles to produce a motive force
US20040209376A1 (en) * 1999-10-01 2004-10-21 Surromed, Inc. Assemblies of differentiable segmented particles
CA2403278A1 (en) * 2000-03-16 2001-09-20 Subramanian Venkat Shastri Microlaboratory devices and methods
US20020146745A1 (en) * 2001-04-03 2002-10-10 Surromed, Inc. Methods and reagents for multiplexed analyte capture, surface array self-assembly, and analysis of complex biological samples
JP2007538252A (ja) * 2004-05-18 2007-12-27 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 生体検知において信号対バックグランド比を向上する磁気的な回転
GB0512402D0 (en) 2005-06-17 2005-07-27 Oxford Instr Molecular Biotool Method of providing magnetised particles at a location
WO2007081410A2 (en) * 2005-09-13 2007-07-19 True Materials Incorporated Encoded microparticles
WO2008021571A2 (en) * 2006-08-18 2008-02-21 Maglev Technologies, Llc. Magnetic composites
IT1392999B1 (it) * 2009-02-12 2012-04-02 Ct De Investigacion Cooperativa En Nanociencias Cic Nanogune Asoc Manipolazione di particelle magnetiche in circuiti per la propagazione di pareti di dominio magnetiche.
US20110074231A1 (en) * 2009-09-25 2011-03-31 Soderberg Rod F Hybrid and electic vehicles magetic field and electro magnetic field interactice systems
CN102695542B (zh) 2009-11-02 2015-08-12 脉冲治疗公司 用于无线控制磁转子的磁势定子系统和方法
US20110215888A1 (en) 2009-11-12 2011-09-08 University Of Utah Wireless control of microrobots
US8684010B2 (en) 2009-12-08 2014-04-01 Magnetecs Corporation Diagnostic and therapeutic magnetic propulsion capsule and method for using the same
WO2012047653A2 (en) * 2010-09-27 2012-04-12 The General Hospital Corporation Self-assembled magnetic arrays
DE102010041621B4 (de) 2010-09-29 2016-11-03 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Verfahren zum Transport magnetischer Partikel
US9694196B2 (en) 2013-04-10 2017-07-04 Weinberg Medical Physics Inc System, method and equipment for implementing temporary diamagnetic propulsive focusing effect with transient applied magnetic field pulses

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070197953A1 (en) * 2003-07-18 2007-08-23 Slade Robert A Magnetic particles for therapeutic treatment
US20100259259A1 (en) * 2005-09-21 2010-10-14 Markus Zahn Systems and methods for tuning properties of nanoparticles
US20130079623A1 (en) * 2010-04-01 2013-03-28 Julius-Maximilians-Universitaet Wuerzburg Imaging Method using Magnetic Small Particles and Corresponding Device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113712529A (zh) * 2020-05-24 2021-11-30 温伯格医学物理有限公司 用于使用体内可磁化装置测量和灭活病原体的方法和设备

Also Published As

Publication number Publication date
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