CN201227469Y - 双极性陡磁场脉冲振荡磁场磁性微球载体靶向控释装置 - Google Patents

Abstract

一种双极性陡磁场脉冲振荡磁场磁性微球载体的靶向控释装置，包括直流电源、控制器、电子开关驱动电路、主电路和电磁铁，其特征是主电路包括续流阻断二极管，全桥电路和储能电容，全桥电路为四个电子开关组成的全桥结构的双极性转换开关阵列，每个电子开关上并联寄生二极管；通过控制器产生的控制信号，由主电路的电子开关将直流电源输出转换为双极性脉冲电压，由输出端输出后施加于电磁铁的线圈上，在电磁铁线圈中产生双极性脉冲电流；输入端的续流阻断二极管和并联在输入端的储能电容及每个电子开关上并联寄生二极管构成负载能量回馈电路。装置能够获得上升沿和下降沿变陡的电流脉冲，实现对微球载体的聚集和振荡和对搭载物质的有效释放。

Description

双极性陡磁场脉冲振荡磁场磁性微球载体靶向控释装置

技术领域

本实用新型涉及医疗装置，具体是一种双极性陡磁场脉冲振荡磁场磁性微球载体的靶向控释装置。

背景技术

对于大多数药物传递系统而言，多数聚合物的释药为扩散释放，因此药物释放受多种因素影响而较难控制.药物智能传递系统中脉冲释药系统为解决这类问题提供了科研方向，即通过环境影响如：温度、光、超声波、微波和磁场等物理与pH、葡萄糖等化学刺激信号使材料的结构与功能发生变化，实施对药物释放信号的空间及时间控制。如：美国专利：U S Patent5,019,372 1991年所述，利用乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVAc)将牛血清与钐钴(SmCo)永磁体包埋，在体外施加振荡磁场，能将牛血清释放速率提高5-10倍。但这类磁性植入式缓释制剂中永磁体的代谢存在一定的问题。随着近年来纳米粒子研究的发展，磁性材料也进入了纳米粒子的研究应用阶段。如中国专利：1)将磁场作用于磁性颗粒的应用方法，申请号：200610027027；2)多西紫杉醇磁微球及其制作方法，申请号：200410044113；3)一种磁性高分子微球及其制备方法，申请号：01105116；4)磁性药物靶向治疗的药物定位方法，申请号：02155353；所公开的技术，可见超微磁性粒子制备技术已日趋成熟。由纳米Fe₃O₄制备的超顺磁性微粒，具有强的磁响应性，在无外加磁场时磁性可以很快消失，纳米Fe₃O₄能够最终排出体外，是理想的医用磁性微粒。

磁性微粒在振荡磁场中会产生聚积、移动和振荡，而磁场的产生装置为电磁铁，呈感性，电感量大，严重影响了电流脉冲的形状，使振荡电流的上升、下降沿陡度不够。要获得磁场中磁性微粒的较好的聚积和振荡效果，应建立振荡幅度大的磁场，必须提高电流脉冲上升、下降的速度，因为上升沿和下降沿的延迟使电流达到稳态的时间变长，影响了电流脉冲频率的提高。

在电流脉冲下降沿，负载电感释放能量阻止电流下降，会产生较高的感应电压，需要采用某些措施吸收电感能量。目前，类似装置常采用在负载串联阻尼电阻、RC网络等方法。

而在振荡磁场促进纳米磁性微球载体中药物的释放，特别是在双极性陡脉冲磁场下促使超顺磁性纳米载药微球的局部聚集和控制药物释放的装置目前未见报道。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于磁靶向治疗的双极性陡磁场脉冲振荡磁场磁性微球载体的靶向控释装置，它采用双极性高陡度振荡脉冲磁场对以纳米磁性微粒为载体的载药微粒产生作用，通过该上升、下降沿高陡度的电流脉冲磁场的建立，能够加速电流上升，提高电流幅值，实现负载能量的回馈，能够磁性微球载体具有靶向聚集及良好的药物控制释放能力。

本实用新型针对磁性微球载体靶向控释的关键技术问题——产生强磁场强度的交变脉冲磁场，提出用双极性脉冲电流产生振荡磁场，双极性电流脉冲的标准波形，其特点是在输出电流期间幅值恒定，在无输出期间电流为零，电流波形周期性变化。

本实用新型涉及的双极性陡磁场脉冲振荡磁场磁性微球载体的靶向控释装置是这样构成的，它包括直流电源、控制器、电子开关驱动电路、主电路和电磁铁，其特征是：主电路包括续流阻断二极管，全桥电路和储能电容，全桥电路为四个电子开关组成的全桥结构的双极性转换开关阵列，每个电子开关上并联寄生二极管；电子开关是绝缘栅极型功率管IGBT，通过控制器产生的控制信号，由主电路的电子开关，将直流电源输出转换为双极性脉冲电压，由输出端输出后施加于电磁铁的线圈上，在电磁铁线圈中产生双极性脉冲电流；在主电路的直流电压输入端，由串连在输入端的续流阻断二极管和并联在输入端的储能电容及每个电子开关上并联寄生二极管构成负载能量回馈电路。

所述装置在输出电流关断期间，电磁铁线圈能量通过寄生二极管释放到储能电容，储能电容电压高于电源电压，加速了电流脉冲的下降；在下一个电流脉冲上升沿，储能电容能量快速释放，当储能电容电压等于电源电压后，再由电源供电。储能电容能量快速释放加速了电流脉冲的上升；从而获得双极性的陡持长脉冲。

磁性微球载体在上述装置产生的频率为0.25～100Hz，磁感应强度0.1T～2.0T的双极性方波的振荡磁场内产生聚积和振动。

本实用新型与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)装置能够获得上升沿和下降沿变陡的电流脉冲，的上升沿变陡。

在电流脉冲下降时，将电磁铁负载能量转移到储能电容中，储能电容的电压高于直流电源电压。在装置输出电流时，储能电容能量快速释放，提升上升沿的陡度。

(3)装置能够使电流脉冲的下降沿变陡，实现了电流幅值的提升，提高了磁场强度。

(4)双极性脉冲振荡磁场比单极性脉冲振荡磁场和正弦振荡磁场具有更好的振荡效果。

附图说明

图1为本实用新型的系统构成图；

图2为本实用新型主要电路原理图；

图3为本实用新型电磁铁的结构示意图；图中1、主磁路铁芯；2、线圈；3、骨架；4、轴向拉杆；5、基座夹件；6、主磁路轭铁；7、径向拉杆；8、机架；9、升降架；10、手轮；11螺柱；8、螺母；13、活动衔铁连接件；14、活动衔铁；15、固定螺栓；16、绝缘夹件；17、固定衔铁。

图4负载电流和电压实验波形。

具体实施方式

参见附图1、2，双极性陡磁场脉冲振荡磁场装置是这样构成的，它包括直流电源、控制器、电子开关驱动电路、主电路和电磁铁，其中主电路包括续流阻断二极管D₅，全桥电路和储能电容C₁，全桥电路为四个电子开关J₁～J₄组成的全桥结构的双极性转换开关阵列，每个电子开关上并联寄生二极管D₁～D₄；电子开关是绝缘栅极型功率管IGBT，通过控制器产生的控制信号，由主电路的电子开关，将直流电源输出转换为双极性脉冲电压，由输出端输出后施加于电磁铁的线圈上，在电磁铁线圈中产生双极性脉冲电流；在主电路的直流电压输入端，由串连在输入端的续流阻断二极管D₅和并联在输入端的储能电容C₁及每个电子开关上并联寄生二极管构成负载能量回馈电路；

上述控制器可以采用Philips公司的单篇机P89C58X2或其它带32KFlash程序存储器的51内核单片机。所述驱动电路采用市售的IGBT驱动模块，如信号为57962L的驱动模块。

参见附图3，本实用新型电磁铁结构包括主磁路铁芯1、绕在主磁路铁芯骨架3上的线圈2，主磁路轭铁6，其中电磁铁主磁路轭铁一端安装在基座架件上，另一端安装绝缘夹件16，两夹件与机架连接，它们之间由四根轴向拉杆4连为一体是主磁路铁芯定位。在主磁路铁芯一个极端上具有固定衔铁17，另一个极端上具有活动衔铁14，该活动衔铁的顶端具有螺杆11，螺杆通过螺母安装机架的升降架9上，螺杆的顶端具有手轮，转动手轮，可以使活动衔铁相对固定衔铁作移动，从而改变它们之间的距离。实施例中的铁芯的尺寸为：高70cm，宽50cm。铁芯的截面积，即两极间气隙的截面积为10cm X 10cm。气隙缺口高度为10-20cm可调。在该气隙缺口内置入磁性微球载体，就会使其产生聚集和振荡。

本实用新型装置的负载电流和电压实验波形实验

实测数据：装置的发射电流50A，产生磁场的磁感应强度为1.3T，Us＝36V，线圈电阻0.8Ω，线圈电感量0.46H，电子开关采用1700V、100A的IGBT模块。利用BELL公司型号为Model 7010 Gauss/teslameter测试了实验装置的磁感应强度，在输出双极性脉冲电流为50A时，磁感应强度峰值为1.3T。在电流为30A，磁感应强度峰值为0.75754T。装置产生的波形参见附图4，图中下面波形为输出电压，上面波形为输出电流，可见波形为双极性脉冲，脉冲前沿有明显提升，下降沿有较高的陡度。

本实用新型装置的工作原理如下：

(1)控制器的产生控制信号，通过电子开关驱动电路驱动发送机主电路的电子开关，将直流电源输出转换为双极性脉冲电压，由a、b端输出后施加于电磁铁线圈，在电磁铁线圈中产生双极性脉冲电流。

(2)调节直流供电电源的输出电压，改变输出电流脉冲的幅值，使电流幅值小于电子开关通过的最大电流；

(3)在电流脉冲下降沿，电磁铁负载释放能量，通过全桥电子开关寄生二极管存储到回馈电容C₁中，电容C₁的端电压U_C1随着负载电感能量的释放而增大，电流脉冲迅速下降，当负载电流衰减到零时，U_C1增大到V₂。由于在电流脉冲下降沿期间电磁铁电压等于U_C1，U_C1的上升加速了电流的下降，使电流下降沿更陡。

(4)电容C₁的计算：

$C_1>\frac{L_1{I_0}^2}{{U_T}^2-{U_s}^2}$

U_T为电子开关额定耐压，L₁为电磁铁电感量，U_s为直流电源电压，I₀为发射电流峰值。

(5)在电流脉冲上升沿，电容C₁由于在前一个脉冲下降沿的储能，U_C1>>U_s，二极管D₅截止，电容C₁先释放能量。由于此时电容C₁电压较高，加速了电流上升。在U_C1＝U_s时，转由直流电源供电。储能电容C₁的作用，加速了电流上升沿的陡度，并提高了电流脉冲的幅值。

(6)双极性脉冲电流通过电磁铁线圈，沿着线圈轴线方向在电磁铁间隙内产生极性不断反转的脉冲磁场，电磁铁的高导磁性增强了磁场强度。

(7)在气隙处与气隙轴线垂直的端面上，在气隙内的磁场较强，越往外，磁场强度越小。在电磁铁气隙内置入装有超顺磁微粒的试管，超顺磁性微粒在出现激励磁场时，超顺磁性微粒被磁化并受磁场力作用，朝着磁场强度大的地方运动，即向着气隙处聚集，达到了超顺磁性微粒聚焦目的。

(8)气隙内的振荡磁场带动超顺磁性磁微粒载体自身的运动，脉冲磁场的间歇性、反极性和微粒重力的作用，使得超顺磁体产生剧烈振荡。

(9)通过控制器预置发射信号频率、改变直流电源电压，电磁铁可以产生不同磁场强度和频率的振荡磁场，调节超顺磁性微粒的聚焦速度和得到不同的振荡效果。

本实用新型装置产生的磁场对磁性载药微球载体控制效果对比实验

1、装置的电流脉冲上升沿提升，使输出电流远大于无负载能量回馈电路时的输出电流，增强了磁场脉冲强度。

如取C₁＝500μF，U_s＝36V，L₁＝0.46H，R₁＝0.8Ω，f＝1Hz，计算出发送电流为41.6A，如采用普通全桥，按同样参数计算，最大发送电流为15A左右。

2、装置能够使电流脉冲的下降沿变陡

在电流脉冲下降期间，负载电感能量转移到电容C₁中，电容C₁的电压迅速上升，使电感负载电压上升，使电流下升沿变陡。

3、实现了电流幅值的提升，提高了磁场强度.

电流脉冲上升沿提升，使输出电流远大于无负载能量回馈电路时的输出电流，增强了磁场脉冲强度。

4、双极性脉冲振荡磁场比单极性脉冲振荡磁场和正弦振荡磁场具有更好的振荡效果。

在电磁铁线圈施加426V、50Hz的交流电，试验观察发现，磁性微球载体虽能聚集，但移动非常缓慢.

5、在电磁铁线圈施加单极性方波电流，观察发现，磁性颗粒聚集效果很差，磁性颗粒不发生振动。

结论：在本装置产生的双极性方波电流作用下，磁微粒载体聚集速度快(比双极性无陡脉冲、单极性及正弦波电流作用下的聚集速度快)，激励电流上升、下降陡，磁性微粒发生振动剧烈。

Claims (2)

1、一种双极性陡磁场脉冲振荡磁场磁性微球载体的靶向控释装置，包括直流电源、控制器、电子开关驱动电路、主电路和电磁铁，其特征是：主电路包括续流阻断二极管(D₅)，全桥电路和储能电容(C₁)，全桥电路为四个电子开关组成的全桥结构的双极性转换开关阵列，每个电子开关上并联寄生二极管；电子开关是绝缘栅极型功率管IGBT，通过控制器产生的控制信号，由主电路的电子开关，将直流电源输出转换为双极性脉冲电压，由输出端输出后施加于电磁铁的线圈上，在电磁铁线圈中产生双极性脉冲电流；在主电路的直流电压输入端，由串连在输入端的续流阻断二极管(D₅)和并联在输入端的储能电容(C₁)及每个电子开关上并联寄生二极管构成负载能量回馈电路。

2、根据权利要求1所述的双极性陡磁场脉冲振荡磁场磁性微球载体的靶向控释装置，其特征是：所述电磁铁包括主磁路铁芯(1)、绕在主磁路铁芯骨架(3)上的线圈(2)及主磁路轭铁(6)，其中电磁铁主磁路轭铁一端安装在基座架件上，另一端安装绝缘夹件(16)，两夹件与机架连接，它们之间由四根轴向拉杆(4)连为一体使主磁路铁芯定位。在主磁路铁芯的一个极端上具有固定衔铁(17)，另一个极端上具有活动衔铁(14)，该活动衔铁的顶端具有螺杆(11)，螺杆通过螺母安装机架的升降架(9)上，螺杆的顶端具有手轮(10)，转动手轮，使活动衔铁相对固定衔铁作移动，从而改变它们之间的距离。

Images