CN107106252A - 通过添加具有不同磁化和导磁率的材料突出件来磁性注射治疗试剂 - Google Patents
通过添加具有不同磁化和导磁率的材料突出件来磁性注射治疗试剂 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于引导磁性的或可磁化的试剂的装置和方法，所述装置具有磁性构造，其中第一磁体具有第一磁化，所述第一磁化与第二磁体的第二磁化相反。第一磁体和第二磁体限定最小凸集，推动节点在凸集外部。第一磁场和第二磁场产生组合场和推力。
Description
相关申请资料的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请序列No.62/072，656的优先权，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请一般涉及治疗试剂递送领域，更具体地涉及一种或多种治疗试剂的磁辅助递送。
背景技术
在常规的磁性药物递送中，由治疗试剂涂覆或含有治疗试剂的磁响应物体可以进行全身注射，然后通过施加的磁场聚焦到体内的靶上。在这种常规磁疗中，通常将外部磁体放置在身体外部，并吸引(拉入)磁响应物体。例如，磁体可以邻近于肿瘤放置，将磁响应物体例如氧化铁纳米颗粒吸引至自身，并因此将它们集中在肿瘤位置。这可以用于治疗癌症、中风、感染和其它疾病，因为其允许将治疗集中到疾病部位(例如，实体瘤、血栓、感染等)，同时保持全身浓度较低(从而最小化副作用)。磁响应物体可以是微米级或纳米级的氧化铁或其它颗粒或物体，其被适当地制备和涂覆，以具有生物相容性和治疗上的有效性。
发明内容
本公开提供用于磁性剂递送的改进的装置、系统和方法。特别地，其公开了可以磁性地注射或推离磁响应物体例如氧化铁纳米颗粒的装置、系统和方法。
附图说明
在附图的图中显示装置、系统和方法的实施方式，这些附图旨在是示例性和非限制性的，其中相同的附图标记旨在表示相似或相应的部分，其中：
图1A显示使用附接到其的第二较小的相反矩形N→S磁体来磁性注射具有第一(基底)S→N矩形磁体的试剂的示例性装置；
图1B显示由图1A的装置的磁体产生的磁场、所产生的磁推动节点和所产生的磁推力；
图2显示能够进行磁推动的装置参数的选择。推力Fx根据l1(第一磁体长度)和l2(第二磁体长度)的参数选择进行绘制，以使得能够选择磁体尺寸和磁体磁化强度和定向，从而实现推动；
图3显示由两个相反的盘形磁体组成的第二示例性推动装置；
图4显示由三个盘形磁体组成的第三示例性装置的实验演示，显示磁推动节点的存在和磁响应颗粒抵抗重力的推动；
图5显示第四示例性实施方式，其中相反的磁体是电磁体；
图6显示用于磁性注射具有由高导磁率材料制成的两个细长突出件的试剂的第五示例性装置；
图7显示用于磁注射具有由高导磁率材料制成的两个三角形突出件的试剂的第六示例性装置；以及
图8显示用于磁性注射具有由超导材料制成的突出件的试剂的装置。
图9显示最小凸集。
具体实施方式
本文公开的示例性实施方式包括用于将活性试剂引导到靶位点的装置、系统和方法。用于磁性地引导与包括纳米颗粒的磁性颗粒相关联的试剂(或治疗试剂)的一个操作原理涉及磁体的布置。磁体可以具有北极(N)和南极(S)，所述北极和南极将磁性颗粒制剂或试剂从远离靶位点(例如在接近于靶位点的表面或腔上(例如，耳孔)，或者另外地在靶组织附近)施用的容器或液体/凝胶溶液或乳膏或粉末引导至该靶位点。使用这个原理，具有多个磁体或磁性元件的装置可以将试剂从容器或液体/凝胶溶液或者乳膏或粉末引导至靶位点。在一个实例中，例如存在于磁性或磁响应颗粒中的活性试剂，可以远离靶位点施用(例如，到身体的皮肤上、眼睛的表面上和耳道内)，并且该装置可以“推动”颗粒或对颗粒施加力(F)，从而将颗粒引导到靶位点(T)(例如，到皮肤下的靶，进入眼睛，进入中耳或内耳中)。在该实例中，该装置可以与包括医疗纳米技术的医疗技术的其他方面结合使用。例如，可以使用诸如超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂或颗粒的纳米技术。
该装置可以包括耦合到基底磁体的材料添加物、覆盖物或突出件。这些添加物、覆盖物或突出件本身可以是磁体或磁性材料，或者可以具有期望的磁性能，例如低或高的相对导磁率。磁体可以是永磁体或电磁体或者是两者的组合。磁体可用于在突出件中感应磁化。添加物、覆盖物或突出件的磁性或突出件的感应磁化可以作用于由基底磁体产生的原磁场，以使其变形并产生推动节点或推动区域。
推动节点或推动区域被定义为零磁场强度或更低磁场强度的点或区域，所述点或区域被非零或更高的磁场强度包围。其是最小磁场的限制区域。例如，磁体、材料添加物、覆盖物或突出件可以被布置成使得磁场将抵消推动节点处的零磁场，而不会在该点周围抵消。这种“冷点”或局部最小的磁场强度可以起到推开超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂或颗粒的作用，因为这些试剂或颗粒将被吸引到推动节点外部的较高强度的磁场，因此将承受远离推动节点或推动区域的向外的力。
突出件可以是例如磁性材料、永磁体或电磁体。此外，与磁体的导磁率相比，突出件可以具有不同的相对导磁率。这可能导致该装置的磁场变形，从而产生低磁场强度的受限的推动节点或推动区域。推动节点或推动区域使得该装置能够将试剂或微粒远离该装置以及朝向靶位点进行磁力推动或注射。
通常，磁场是最接近于它从其放射然后通常减小的磁体。另一方面，本公开的装置产生整体变形的磁场，所述磁场在该装置附近产生局部磁场“冷点”(即，推动节点或推动区域)，磁场围绕该“冷点”加强。远离(向外)该装置的磁场的这种增加可以推开超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂或颗粒。
图1A显示具有基底磁体102(沿向上方向从南104至北106磁化)和较小的相反的磁体108(沿向下方向从南110至北112磁化)的示例性装置，所述较小的相反的磁体108对磁性试剂或可磁化试剂产生推动节点114和合成的推力116。待被磁性地推动的试剂或物体可以是超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂或颗粒。推动节点114是装置上方的最小磁场的受限区域，并且可以通过操纵磁体的几何形状、尺寸、磁化强度和定向来选择具有期望的特性，如本文所详述的。受限的最小磁场产生用于将试剂磁性地注射入靶位点的推力116。
下面详细描述麦克斯韦方程的数值模拟，以说明示例性的装置构造。在每个模拟中，使用了永磁体。然而，一些或所有永磁体可以由电磁体替代，而不会显著改变装置的性能或特性。类似地，可以选择装置构造，所述装置构造使用电磁体或使用改进形状和构造的附加材料，以校正永磁体和电磁体之间的任何差异，并且所述装置构造产生与本文所描述的类似的性能。图中的阴影表示磁场的强度(对于高磁场强度为暗的，对于零或低磁场强度为亮的，因此，推动节点或推动区域在图1B，6，7和8中呈现为白色或浅灰色)。。黑色箭头表示对试剂的合成力。这些箭头在邻近于推动节点的推动区域的位置处显示。
图1B显示图1A中所示类型的示例性装置的磁场、推动节点和磁推力。该示例性装置由两个矩形磁体组成，基底磁体102(沿着向上方向从南104至北106被磁化)和较小的相反的磁体108(向下方向从南110至北112被磁化)产生磁场，所述磁场强度由灰色阴影118表示。暗阴影对应于高磁场强度，亮阴影对应于低磁场强度或零磁场强度。所公开的本发明的组合磁体产生磁场，所述磁场具有位于该装置外部(上方)的受限磁场的最小值(推动节点114)。磁场强度从该受限磁场的最小值向外增加，产生对磁性试剂或磁响应试剂的向外的推力116，所述磁性试剂或磁响应试剂是例如超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂或颗粒。
选择磁体尺寸、几何形状、磁化强度和定向以实现在该装置外部的推动是不明显的，在下文中描述了选择装置参数以启用推动的示例性过程。从下面描述的过程，特别是从图2的示例性设计空间，清楚的是，只有一小组的装置参数才能实现推动，并且这些参数必须如下文所公开的那样适当地选择。一旦已经选择和公开了有效的推动装置设计，如在本发明公开中那样，则在本领域的一般技术人员可以实现附加设计或设计修改的选择。例如，如果该装置中的所有磁体的尺寸增加一定量，例如所有的磁体都制成两倍大，则所得到的设计也将有效地推动。同样地，如果所有磁体的磁化均增加或降低了一定量，例如所有的磁化均制成两倍大，则装置也会推动(并且会推动高于四倍的强度，因为推动与磁化的平方有关，详情如下)。此外，如果每个磁体的磁化定向相反，如果所有磁体均由从北向南改变成从南向北，则磁体将相互保持正确的相反，并产生具有相同推动性能的等效装置。一些或所有永磁体可以由电磁体所代替，所述电磁体提供等效或类似的磁场。该装置内的单个磁体可以由两个或更多个磁体代替，所述两个或多个磁体一起用作原磁体(例如，一个S→N磁体可以被两个相邻的磁体代替，其尺寸的一半具有对准的[不相反的]磁化S→N和S→N，其一起与原始单个磁体的作用相同，如图4所示)。对本发明的这些和其它修改将被熟悉磁体和磁性的本领域的技术人员所理解、不改变本发明的基本特征并因此落入本发明的范围内。
图2显示当实施根据本公开的双磁体装置时的装置参数的选择。对于由两个矩形磁体组成的装置(如图1A所示)，可以考虑九个装置参数：六个磁体尺寸；两个磁化强度(包括根据其符号的每个磁体的磁化极性)；以及该装置和磁推动区域之间的距离。
图1A所示的矩形装置中的磁体的尺寸和磁化强度/方向可以基于以下公开的过程来选择，以实现磁推动。类似的过程可用于两个磁体，所述磁体具有交替形状，例如圆盘形或截顶的正方形或圆形金字塔形或其他形状。同样，类似的设计过程可以应用于具有三个或更多个磁体或磁性元件的系统。该过程的目标是选择系统的参数(磁体的几何形状和磁化)，以实现有效的磁推动。该选择过程是不明显的，接下来描述图1A的示例性矩形双磁体系统。
施加到磁性(例如，超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性)的颗粒或试剂的力从低到高的磁场强度而起作用。换句话说，治疗试剂被吸引到具有较高磁场强度的区域，并且从较低磁场强度的区域排出。这由磁性药物靶向领域中已知的以下方程式表示：
F＝k▽(H2) 方程1
F是对试剂的力；
k是取决于试剂的尺寸、形状和性质的常数
(k对于超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和顺磁性的试剂是正的)；
▽是空间梯度算子；和
H是所施加的磁场。
方程1中的粗体字表示向量。此外，力F由磁场平方的梯度给出，因此不一定与磁场H的方向相同。
磁体周围的磁场的空间分布通过麦克斯韦方程式描述(例如，Fleisch的《AStudents Guide to Maxwell Equations(麦克斯韦方程的学生指南)》)。例如，在图1A中，由T1>0(正)表示的基底磁体的磁化指的是南至北是基底磁体的上行方向，第二磁体T2<0(负)的磁化指的是南向北是第二磁体的下行方向。在磁体周围产生的磁场与其磁化成比例，该磁化可以进一步具有一定向。因此，磁体1周围的磁场可以表示为T1H1(x，y，z)，磁体2周围的磁场可以表示为T2H2(x，y，z)。这里，H1和H2是当磁体被磁化到正好1特斯拉时每个磁体周围的磁场(对于每个磁体的具体几何形状和放置)。由于麦克斯韦的磁场方程是线性的，并且假定来自一个磁体的磁化T1基本上不改变(即消磁)另一个磁体的磁化T2，反之亦然，经推测，由该装置的两个磁体产生的磁场是单独各磁体的磁场的总和。从中推导出在所需推动位置(点p)处的磁场可以表示为：
H(p)＝T1H1(p)+T2H2(p) 方程2
从方程1和2可以看出，位置p处的磁力(F)表示为：
方程3
对于磁体几何形状(l1，w1，h1，l2，w2，h2)的任何选择，可以通过数值方法(例如，通过计算磁场的软件)容易地计算这些数量H1(p)和H2(p)及其空间导数。可替代地，在一些情况下，数量H1(p)和H2(p)可以通过分析公式来计算，例如对于矩形磁体，Engel-Herberta和Hesjedal，《Computation of the Magnetic Stray Field of a Uniaxial MagneticDomain(单轴磁畴中磁性杂散场的计算)》，J，《应用物理学》，97，74504(2005年3月)中提供的那些，，类似的公式应用于盘形磁体和其他形状的磁体。
针对任何装置几何形状以及磁体磁化强度和定向，现在可以容易地计算沿装置中心线的力的分量。对于图1A，使z为垂直轴线，并设置：
A＝k d/dz[H1(p)]2，B＝k d/dz[H1(p)·H2(p)]，C＝k d/dz[H2(p)]2
然后
Fz＝AT1 2+2BT1T2+CT2 2 方程4
而A、B和C取决于该装置的尚待选择的几何形状。
使用方程4，可以设计有效的双磁体推动系统。对于本公开的装置，有利的是显示正的Fz。为了确保实现正的Fz值，应仔细检查A、B、C、T1和T2项的符号。由于Hz的强度(即来自每个磁体的磁场的z分量)随着距离磁体的距离增加而减小(因为距离磁体越远，磁场就变得越弱)，因此由单调递减的Hz的d/dz空间导数形成的A、B和C总是为负。相反，T1 2和T2 2是平方，并且总是正的。
磁体的磁化强度由磁体补料的物理性质确定，并且受到制造、成本和安全性考虑的限制。在本公开的装置内使用的永磁体可以具有例如-1.5特斯拉≤T1≤+1.5特斯拉和-1.5特斯拉≤T2≤+1.5特斯拉的范围的磁化T1和T2。(电磁体可以具有更大的磁化，但由于成本和安全性考虑也会具有限制)。正如这些范围所示，T1和T2可以是正的或负的，它们的符号表示磁化方向(正的磁化指的是图1A中的向上的磁化和负磁化指的是图1A中向下的磁化)。如果磁体的磁化强度不受限制，则装置可以设计成产生无限强度的推力。这是因为力与磁化(平方)强度成比例-使两个磁体的磁化双倍，将使力成为四倍，无限强的磁化将导致无限强的推力。因此，对于永磁体。根据本公开的适当最大化/优化的方程4可以表示为：
Fx＝AT1 2+2BT1T2+CT2 2
其中|T1|≤1.5特斯拉，|T2|≤1.5特斯拉. 方程5
(对于电磁体，该极限可能高于1.5特斯拉)
已经描述了1.5特斯拉的绝对值是最大允许永磁体磁化的实施例。然而，本领域技术人员应当理解，不同的情况(例如，永磁体、电磁体对比永磁体实现中的未来进展)可能导致不同的实现的最大允许磁化。
通过使用在优化领域中已知的方法，特别是拉格朗日乘数的方法，或通过相对于(T1，T2)获取Fz的梯度，可以显示的是，(T1，T2)的最佳选择可以发生在本文描述的示例性约束边界上(即，在|T1|＝1.5特斯拉上和在|T2|＝1.5特斯拉上)。例如，设置T2＝1.5特斯拉，则关于T1，使Fz＝AT1 2+3BT1+2.25C。这是标准的二次方程，因此使Fz最大化的值为T1*＝-3B/2A。如果该值(即-3B/2A)在|T1|≤1.5特斯拉范围之外，则最接近于-3B/2A的值是T1*“最佳”值。一起，刚刚描述的T1*和T2＝1.5特斯拉是磁化(T1，T2)的一个最佳选择。
可以通过以下获得三个附加的最佳对：设置T2＝-1.5特斯拉并计算T1*；或者通过设置T1＝+1.5特斯拉，然后设置为-1.5特斯拉，并计算两个更优的T2*值。因此，至少有四个电位对(T1*，T2*)，以使推力Fz最大化。一旦计算了四对，则应选择最佳对(即具有最高正值Fz的对)。例如，如果A＝1，B＝0.5，和C＝1，则最佳磁化对为(T1*，T2*)＝(-0.75，+1.5)，其产生Fz＝1.6875的正推力。如果不是，例如，A＝1，B＝1和C＝1，则非计算的(T1，T2)对产生正向力。因此，存在可能表现出磁力推力(第一种情况)或只能表现出磁力拉力(第二种情况)的装置的几何形状。这里公开的一个关键的发明特征是能够有效推动的磁体设计的选择。
为了选择有益的装置的几何形状，应该选择并且然后固定该装置到推动区域的中心的距离d。例如，为了将治疗有磁力地推向成人的耳穴，距离d＝4cm＝0.04m可能是有益的，因为这是成人患者从固定到头部外部的装置到耳蜗的预期距离，因此是为了将治疗有磁力地注射到耳蜗中推力所必须发生的距离。
对于该装置也可能是有益的是在x和y水平轴上对称。为了实现这种对称装置，可以假设如下：h1＝w1和h2＝W2。具有设定的d，并且如上所述知道如何选择最佳(T1*，T2*)对，剩下的4个参数(l1，w1，l2，w2)是可确定的。换句话说，能够实现有效的和最大的磁推动的两个磁体的长度和宽度是可确定的。
选择这些剩余设计参数的一个示例性过程涉及数值地搜索对称装置的四维参数空间(l1，w1，l2，w2)。对于任何(l1，w1，l2，w2)，系数A、B和C可以通过在Engel-Herbert和Hesjedal中(《Calculation of the Magnetic Stray Field of a Uniaxial MagneticDomain(单轴磁畴中磁性杂散场的计算)》，J.《应用物理学》。97，74504(2005年3月))的分析公式计算。一旦针对(l1，w1，l2，w2)的任何选择，找到A、B和C，则可以通过上述(T1*，T2*)选择过程来选择(T1*，T2*)。因此，对于每个(l1，w1，l2，w2)，这产生最大的推力设计。为了选择最佳(最大力)(l1，w1，l2，w2)参数，因此，示例性过程是首先选择最小和最大磁体宽度和磁体长度。然后选择一(l1，l2)对，然后选择网格上的所有(w1，w2)对，以计算(T1*，T2*)和合力Fz，然后选择达到最大力Fz*的对(w1*，w2*)。
这种示例性优化装置设计程序的结果在图2中显示。该图显示推力Fz的强度对可能选择的l1和l2(磁体102的长度和磁体108的长度)。对于每对(l1，l2)，根据上述方法已经选择了最佳(w1*，w2*，T1*，T2*)、磁体宽度和磁化。阴影202表示磁推动的程度。黑暗阴影表示没有磁力推动的无效设计(如204所示例)或磁推动可忽略(如206所示例)。对应于具有小的第二磁体108的大的第一(基底)磁体102的在顶部左侧的浅白色区域是产生有效推动的唯一区域(示例为208)。图中底部提供了这个白色“推动是可能”的区域中的磁体设计的详细规格(如210所示)。对于也在图1B中示例的该示例性设计，第二磁体108具有与基底磁体102相比特定的更小的尺寸，并且具有相反的磁化(如在图2的底部具有相反标记的T1*和T2*所示的那样)。
选择装置设计的优化可以包括与本文所述的方法等效的使用数值方法、半数值方法和分析方法。上述方程可以通过除了所描述的方法之外的其他方法来优化。例如，可以通过例如梯度下降、二次方程式优化、分支和约束、神经网络、遗传算法和本领域已知的其它方法的数值方法来优化方程式。还应当理解，本文公开的方程可以被修改以解释相关的、不同的或附加的因素，例如磁饱和、电磁体、电磁体中的实体芯或空气芯或不同于上述的其他形状的超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂。
图2所示的设计空间表示只有一小部分设计可以实现磁力推动，并且磁体尺寸和磁化的选择能够实现有效的推动。
一旦已经公开了一个或几个有效的磁体推动设计，如本公开那样，则在本领域中了解的个人可以直观地看到其他类似或等效的设计，这些设计也将实现磁推动。例如，她或他可以用两个等效的半尺寸磁体替换一个磁体，所述等效的半尺寸磁体沿着与单个磁体相同的方向从南至北定向，或者他或她可以用稍微较大的不太强的磁体代替小的强的相反的磁体，或者他或她可以将整个系统缩放到更大或更小，或者他或她可以选择相似尺寸的磁体，或者他或她可以在两个磁体设计中倒转两个磁体的磁化方向(S至N然后N至S可以改为N至S然后S至N，这是一个等效的设计，因为它是导致磁推动的对抗力)。这种和其它修改保留了本发明的基本特征，并且将落在本公开的范围内。此外，除了上面公开的示例性优化和设计方法之外，还可以使用本领域技术人员已知的优化的其他分析程序或数值程序，例如梯度下降、分支和约束、神经网络、遗传算法等，以选择磁体推动设计。附加或不同的选择、设计或优化技术的使用保留上述公开的发明特征并落在本公开的范围内。
现在注意图3，其显示替代的示例性推动装置。这里，磁体是盘形的，而不是如图1A中的矩形。第一(基底)磁体302在向上的方向上被磁化成南304至北306。第二较小的盘形磁体308沿向下的方向被磁化为南310至北312。当使用如上所述的方法适当地选择几何形状和磁化强度时，磁体的这种布置和磁化可以在该装置外部和上方产生推动节点314。然后，该推动节点对超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂或颗粒产生推力316。
图4显示示例性实验实施方式。设计该盘形磁体示例性装置，并且使用与上述矩形磁体相似的程序来选择其几何形状和磁化。基底盘形磁体402在向上方向上对南至北进行磁化。在其上方，相反的两个盘形磁体404在向下的方向上被磁化成相反的南至北。黄铜螺钉406插入穿过所有3个盘形磁体的中心并将组件固定在一起。已经使用上述公开的方法并如图2所示的那样来仔细选择磁体的强度和尺寸，以在装置上方建立推动节点。该推动节点408向上磁力地推动磁力地响应的(铁)颗粒410，并使其浮动以抵抗重力。
如前所述，在替代性实施方式中，一些或所有永磁体可以由电磁体代替。图5示例了基本上等效于图1所示的设计的示例性装置设计，除了永磁体已被电磁体代替外。第一(基底)磁体502现在是具有顺时针电流(图中从左到右，示为504)的电磁体。相对地，较小的第二磁体506具有逆时针电流(从右到左，示为508)。两个相反方向的电流将针对两个磁体产生相反的磁化。使用基本上类似于上面详述的程序来选择磁体的尺寸和电流的强度，则可以在系统上方和外部创建推动节点或推动区域510(受限最小磁场强度的位置)。对于图1和图2所显示的永磁体装置，这将对超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂或颗粒产生推力512。同样对于永磁体，如果所有电磁体的定向相反，则它们将保持彼此相同的对立，并且它们的整体推动性能将保持不变。了解磁体和磁性的本领域的技术人员将进一步认识到，电磁体可以用不同类型的线圈绕组构造，而具有或不具有空气芯或实体芯，有或者没有冷却，并且这些不同的电磁体的实施不改变本公开的基本特征，并继续落入本发明的范围内。
现在注意装置构造的元件。如上所述的相反的磁体将通常在其间具有趋向于将它们推开的力，但是磁体可以通过本领域已知的各种方式结合在一起。两个(或多个)相反的磁体可以通过胶水、环氧树脂或粘合剂固定在一起。为了提供额外的强度，两个或更多个磁体或磁性元件也可以通过另一种材料的涂层或带来完全或部分地被包围，例如通过在整个装置周围的环氧树脂涂层或通过塑料、橡胶、金属(磁性或非磁性)或起作用或进一步起作用以将磁体或磁性材料保持在一起的其他材料的带。磁体可以使用扎线带(zip ties)，通过螺钉和螺母(磁性或非磁性)，并且通过放入适当形状的固定器内，例如通过插入由各种方法(塑料成型，3D打印等)制造的强塑料固定器中来附接至彼此。对于合适的磁体材料，磁体也可以例如通过硬钎焊(Houska，美国专利No.3923232)焊接在一起。本领域中已知的其它方法是将磁体牢固地附接在一起，使用这种其它方法将磁体附接在一起将不会改变根本的本发明的方面，并因此仍然落在在本发明的范围内。对于电磁体，两个或更多个电磁体可以通过外部壳体，通过共享的实体芯或通过彼此附接的实体芯或通过本领域已知的其它方式固定在一起。
现在注意附加的示例性装置，其由具有可实现推力的添加的材料突出件的基底磁体组成。图6至图8示例被构造为产生磁推力的装置。装置包括第一基底磁体或磁性元件102以及耦合到磁体或磁性元件的一个或多个突出件602，702，802。虽然该装置被示例和描述为具有一个基底磁体或磁性元件102，但是应当理解，该装置可以包括超过一个的基底磁体或磁性元件。基底磁体或磁性元件102可以是永磁体或电磁体。突出件602，702，802可以由相同的材料制成，或者每个突出件可以由不同的材料制成。
图6示例两个高导磁率材料突出件602的添加。如本文所使用的高导磁率材料是具有高相对导磁率(μr)的材料。例如，磁性合金(高导磁率合金)材料可以具有μr>80，000。相比之下，永磁体材料的导磁率通常在μr≈4000的量级。因此，高导磁率材料的导磁率可以大于永磁体的导磁率达二十倍。突出件602改变磁场的分布(即，它们可以在装置之内或之上产生磁场最小节点604)。在图6的示例性装置中，在高导磁率突出件602之间产生两个低磁场节点604。在这两个节点604之间存在低磁场的桥，并且磁推力116从该桥向外发出。该推力116在装置的上方和外部延伸。
突出件602可以具有正方形或细长的表面区域(如图6所示)。或者，突出件702可以具有三角形形状(在图7中示例)。图7的三角形突出件702可以产生超出图6所示的突出件602的推动区域704，在两个三角形突出件之间具有合成的推力116。如图8所示例，该装置可包括由超导材料制成的突出件802。这样的超导突出件802可以在其804上方产生低磁场强度节点或区域并且在节点116上方产生磁推力。当使用超导材料时，该装置可能需要保持在室温以下，因为当前的超导体经常在室温处和之上发生性能退化。
使装置或系统满足其他必要或有利的约束条件可能是有益的。例如，可以期望使该装置小于一定的重量、能够手持、适合手的形状以方便医生或临床医生进行操作、或者在磁体之内、周围或之间具有腔或其他开放空间用于安装光源或小型相机以便为医生或临床医生提供视觉指导。本领域技术人员将认识到，上面公开的示例性装置和设计程序可以容易地修改为包括所考虑的这些可期望的特征，并且所得到的装置、系统和方法将继续落入本发明的范围内。
一旦使用上述方法，磁性和磁性材料领域的技术人员将认识到图中的示例是示例性的，并且存在具有不同形状、不同磁性定向(例如S→N而不是N→S，或侧向磁化而不是从顶部到底部)、不同形状的添加材料和不同的材料性质的磁体的其它情况，其也将是有效的，并且因此落在本公开的范围内。
应当理解，电磁体可以用作磁体或磁性元件，或者与磁体或磁性元件结合使用。电磁体是用电力供电的磁体。与永磁体不同，电磁体的强度可以通过改变流过其的电流量而容易地改变。电磁体的磁极甚至可以通过逆转电流来反转。
如果与磁性或可磁化的超顺磁性、铁磁性、亚铁磁性或顺磁性的试剂或颗粒相关联的试剂是细胞，则该细胞可以是本身能够响应于磁场的任何生物细胞，或者可以包含一个或多个可以响应于磁场的磁性颗粒或试剂。以这种方式，细胞也可以被本文公开的磁性系统和装置推动。与本公开有关的所用细胞可以例如是内皮细胞或外胚层衍生的、中胚层衍生的或内胚层衍生的细胞。此外，来自组织或流体(例如来自血液)或来自动物或人类的细胞层的任何干细胞或成熟或未成熟细胞均可以被修改为在与本公开关联下是有用的。
如果该装置被设计为设置到人或动物体内的内部(体内)位置，则该装置的外表面可以是生物相容的。任何这样的装置内的任何非生物相容性的材料均可以包含在生物相容性材料内或被其覆盖，所述生物相容性材料不显著限制或干扰磁场。与本公开的装置结合使用的生物相容性涂层可包括例如各种生物相容性聚合物、金属和其它合成的、天然的或生物的材料。
为了避免歧义，装置的术语“外部”由最小凸集的已知概念定义。图9A示例凸形对非凸形。在凸集或凸形101中，从形状101的任何一点到任何其他点102的所有直线103本身完全在形状101内。在非凸形(例如，凹形201)中，直线203之一的至少一部分位于该形状的外侧。凸形和最小凸形的概念的一个来源是本公开提交日期截止之前的http:// mathworld.wolfram.com/Convex.html。存在其他多种标准来源，例如A lexanderBarvinok的书籍《A Course in Convexity(凸度课程)》，其来自《研究生数学研究》，卷54。最小的凸形从许多中选出一个特定的凸形。为了说明，现在注意图9B和9C，其显示包含先前在图1B和图6中显示的示例性装置的磁体和磁性材料的最小凸集。最小凸集是完全容纳磁体和磁性材料的最小凸形301，401。因此，在装置外部被定义为在最小凸集外部，所述最小凸集包围用于该装置的所有磁体和磁性材料。因此，在图9B中，推动节点114在该装置外部。在图9C中，推力位置116在该装置外部，而示例点501不在该装置外部。因此，在该装置外部的推动节点被明确地定义为在最小凸形外部，所述最小凸形完全包围该装置的所有磁体和磁性材料。
上述详细描述、本文所示例的实施例和附图仅用于示例性的目的，并不意图限制由所附权利要求限定的本发明及其等效物的范围和精神。本领域技术人员将认识到，可以对本说明书中所公开的发明进行许多变化，而不脱离本发明的范围和精神。
Claims (17)
1.一种用于将试剂引导到材料中或穿过所述材料的方法，其包括：
定位具有多个磁体的磁性构造，其中多个磁体中的第一磁体产生第一磁场；多个磁体中的第二磁体产生第二磁场；第一磁体具有第一磁化，所述第一磁化与所述第二磁体的第二磁化相反；第一磁体和第二磁体限定最小凸集，推动结点在凸集外部；第一磁场和第二磁场产生组合场和来自第一磁体和第二磁体的推力；以及
使用所述力将试剂移入或穿过所述材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中试剂是磁性的、超顺磁性的、亚铁磁性的、铁磁性的或顺磁性的。
3.根据权利要求1所述的方法，将试剂沉积到组织或将试剂推入到腔、管道和隔室中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中第一磁体和第二磁体结合在一起。
5.根据权利要求1所述的方法，其中第一磁体结合到另一磁体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中第一磁性元件是永磁体或电磁体中的一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中第二磁性元件是永磁体或电磁体中的一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其中第一磁场或第二磁场具有为约1微特斯拉至约10特斯拉的场强。
9.根据权利要求1所述的方法，其中第一磁场和第二磁场产生组合场和来自第一磁体和第二磁体的正交方向的推力。
10.一种用于引导磁性或可磁化的试剂的装置，其包括：磁性构造，所述磁性构造具有多个磁体，其中，多个磁体中的第一磁体产生第一磁场；多个磁体中的第二磁体产生第二磁场；第一磁体具有第一磁化，第一磁化与第二磁体的第二磁化相反；第一磁体和第二磁体限定最小凸集，推动结节在凸集外部；第一磁场和第二磁场产生组合场和来自第一磁体和第二磁体的推力。
11.根据权利要求10所述的装置，其中组合场排斥磁性的、超顺磁性的、亚铁磁性的、铁磁性的或顺磁性的试剂。
12.根据权利要求10所述的装置，其中第一磁体和第二磁体结合在一起。
13.根据权利要求10所述的装置，其中第一磁场或第二磁场具有约1微特斯拉至约10特斯拉的场强。
14.根据权利要求10所述的装置，其中组合场排斥磁性的、超顺磁性的、亚铁磁性的、铁磁性的或顺磁性的试剂。
15.根据权利要求10所述的装置，其中第一磁体或第二磁体是电磁的。
16.一种装置，其包括：磁性构造，所述磁性构造具有磁体，所述磁体产生第一磁场；以及，可磁化材料，所述可磁化材料与所述第一磁场相互作用以产生第二磁场；所述第一磁场和所述第二磁场产生组合场和推力。
17.根据权利要求16所述的装置，其中推动节点在凸集外部。
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