CN210933422U - 磁颗粒磁控聚集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种磁颗粒磁控聚集装置，包括磁场系统和用于带动磁场系统转动的旋转机构，磁场系统包括极化线圈和推动线圈，该极化线圈包括两个平行正对设置的子线圈，两个子线圈绕线相同且相连通；靠近任意一个子线圈设有一个推动线圈，推动线圈的内端面朝向两个子线圈之间，旋转机构带动磁场系统绕两个子线圈的中心连线的中点在同一平面内旋转，磁场系统的旋转轨迹围成的区域形成磁调控区。采用本实用新型的有益效果是，通过极化‑推动动作，对分散的磁颗粒进行推动使其向磁调控区的中部运动，然后磁场系统旋转一定角度再次进行极化‑推动，重复进行旋转‑推动动作，使磁颗粒向磁调控区的中部聚集，该装置对磁颗粒的运动和聚集行为高度可控。

Description

磁颗粒磁控聚集装置

技术领域

本实用新型涉及磁性颗粒材料的控制领域，具体涉及一种磁颗粒磁控聚集装置。

背景技术

磁性颗粒尤其是纳米磁颗粒是近年来发展迅速且极具应用价值的新型材料，在现代科学的众多领域如生物医药、磁流体、催化作用、核磁共振成像、数据储存和环境保护等得到越来越广泛的应用。纳米磁颗粒一般由铁、钴、镍等金属及其氧化物组成，在医学领域中其通常为核壳结构，由磁性内核及包裹在磁性内核外的高分子聚合物/硅/羟基磷灰石壳层组成。最常见的核层由具有超顺磁或铁磁性质的Fe₃O₄或γ-Fe₂O₃制成，具有磁导向性，意味着磁场环境下磁颗粒具有靶向性。在外加磁场作用下磁颗粒可定向移动，方便定位和靶向目标区域。

磁颗粒携带药物后，在磁调控作用下，能很好的聚集于靶向位置，有助于当前一些重大疾病的治疗实现重大技术突破，如肿瘤治疗等。然而，现有技术条件下这些磁颗粒很难在磁场作用下聚焦于身体深部位置，只能聚焦于浅表组织。这样，药物通过血液循环在除目标部位之外的正常组织中扩散就会产生药物副作用，特别是药效剧烈的药物如抗癌药物，其对正常组织细胞也有杀伤作用。解决这一问题的关键在于如何控制药物准确的抵达病灶处，以及药物的准确释放。尽管现有靶向技术包括磁靶向技术已得到快速发展，但如何实现深度靶向仍面临重大技术挑战，并且也是国际研究热点。尽管研究取得了一些进展，将磁调控技术应用于临床试验还面临技术挑战。人体生理条件下，磁颗粒的运动状态非常复杂，因此基础研究需要以简化的模型在体外条件下进行验证。首先要解决的问题是，如何在简化的体外环境下，发展高度可控的磁颗粒的磁调控装置和方法。更进一步地，是在平面条件下的磁颗粒调控装置和方法。

实用新型内容

为解决以上技术问题，本实用新型的目的之一在于提供一种磁颗粒磁控聚集装置。

技术方案如下：

一种磁颗粒磁控聚集装置，其关键在于，包括磁场系统；

所述磁场系统包括用于对磁颗粒进行极化的极化线圈和用于推动磁颗粒运动的推动线圈，该极化线圈包括两个平行正对设置的子线圈，两个所述子线圈的绕线方向相同；

靠近任意一个所述子线圈设有一个所述推动线圈，所述推动线圈的中心线垂直于所述子线圈平面，所述推动线圈的内端面朝向两个所述子线圈之间。

采用以上设计，将分散的磁颗粒置于两个子线圈之间，对极化线圈通电，两个子线圈之间的磁场为单向磁场，使磁颗粒极化，然后极化线圈断电，推动线圈通电，推动线圈朝向磁颗粒的一端对磁颗粒产生排斥力，从而推动磁颗粒沿着该排斥力方向远离推动线圈的内端面，向两个子线圈中部移动，实际使用时，采用沿多个方向排列的多套磁场系统，或者使磁场系统转过一定角度，在空间内多个方向重复前述通电推动过程，可将磁颗粒聚集到一起。

作为优选技术方案，上述极化线圈为正方形线圈，其边长为L，两个上述子线圈之间的距离为D，D＝L/2。

采用以上设计，两个子线圈之间的距离设定使得二者之间的区域内磁场分布近似于均匀磁场，使得位于其内的各个磁性颗粒受到的极化磁场的作用一致。

作为优选技术方案，两个所述子线圈之间形成极化区，所述推动线圈的中心线与所述子线圈的中心线重合；

所述推动线圈为螺线管，其半径为r，所述推动线圈的内侧端面到所述极化区的中心的距离为d；

采用以上设计，根据通电螺线管的磁场分布特点可知，在满足上述距离参数的条件下，通电螺线管在极化区中心处的磁场强度趋于零，因而可以避免在推动磁性颗粒运动过程中磁性颗粒沿着一个方向越过极化区中心，各个方向依次推动磁性颗粒，使得所有磁性颗粒可以高度聚集在极化区中心处。

作为优选技术方案，上述推动线圈设置于任一所述子线圈的中心位置。

采用以上设计，螺线管的中心线与推动线圈的中心线共线，当根据需要在多个方向设置多个磁场系统时，各个方向的磁场系统的极化区的中心位置重合，或者磁场系统转动时，以极化区中心为转动中心，便于磁颗粒向该中心位置聚集。

作为优选技术方案，上述磁控聚集装置还包括绕线骨架，该绕线骨架外绕制有所述子线圈，所述推动线圈穿设于所述绕线骨架上，所述推动线圈与所述绕线骨架固定。

采用以上设计，便于各个线圈的安装固定。

作为优选技术方案，两个所述子线圈由同一根极化导线同向绕制而成，该极化导线的中间段垂直于所述子线圈，该极化导线中间段的两端分别连接有绕线圈数相同的所述子线圈。

作为优选技术方案，通电时两个子线圈内的电流相等，使得极化区的磁场保持为均匀磁场。

有益效果：采用本实用新型的有益效果是，将分散的磁颗粒置于两个子线圈之间，对极化线圈通电使磁颗粒极化，然后极化线圈断电，推动线圈通电，推动线圈朝向磁颗粒的一端对磁颗粒产生排斥力，从而推动磁颗粒沿着该排斥力方向向两个子线圈中部移动，实际使用时，采用沿多个方向排列的多套磁场系统，或者使磁场系统转过一定角度，在空间内多个方向重复前述通电推动过程，形成旋转磁场，连续极化和推动磁颗粒，可将磁颗粒聚集到一起，从而能够实现对磁颗粒的运动和聚集行为的高度可控。

附图说明

图1为磁场系统的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为磁场系统绕制在绕线骨架上的示意图；

图4为磁场系统转动形成磁调控区的示意图；

图5为磁场系统转动并对磁颗粒进行极化推动的动作示意图；

图6为与图5的磁场系统位置相对应的磁颗粒聚集状态示意图；

图7为设置有旋转机构的磁控聚集装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

如图1和2所示，一种磁颗粒磁控聚集装置，包括磁场系统100，该磁场系统100包括用于对磁颗粒进行极化的极化线圈110和用于推动磁颗粒运动的推动线圈120，该极化线圈110包括两个平行正对设置的子线圈111，两个所述子线圈111的绕线方向相同，两个所述子线圈111之间形成极化区。

靠近任意一个所述子线圈111设有一个所述推动线圈120，所述推动线圈 120的中心线垂直于所述子线圈111平面，所述推动线圈120的内端面朝向两个所述子线圈111之间。

所述极化线圈110为正方形线圈，其边长为L，两个所述子线圈111之间的距离为D，D＝L/2。在该距离下，根据磁场分布特点，通电后的两个子线圈111 之间的磁场可以认为是均匀磁场。

进一步地，两个所述子线圈111由同一根极化导线同向绕制而成，该极化导线的中间段垂直于所述子线圈111，该极化导线中间段的两端分别连接有绕线圈数相同的所述子线圈111。

所述推动线圈120为螺线管，该螺线管内套于任一个子线圈111内，二者中心线重合。该螺线管的半径为r，所述推动线圈120的内侧端面到所述极化区中心的距离记为d，d与r的关系为

由于距离通电螺线管的端面越远，磁场强度逐渐降低，极化区中心处的通电螺线管的场强接近零。

如图3所示，为方便安装，所述磁控聚集装置设置有绕线骨架400，该绕线骨架400外绕制有所述子线圈111，所述推动线圈120穿设于所述绕线骨架400 上，所述推动线圈120与所述绕线骨架400固定。具体地，所述绕线骨架400 为外形呈长方体形的壳体，平行于该壳体的两个相对侧面绕设有所述子线圈111，在这两个相对侧面中的任一个面上垂直穿设有所述推动线圈120。绕线骨架400 可使用高分子材料制造，以不干扰内部磁场为准。

磁场系统连接有电源系统以及控制系统，该控制系统控制电源系统向磁场系统供电。工作场景下，磁场系统需要绕极化区的中心转动，从而在多个方向上对分散在极化区内的磁颗粒进行推动。如图4所示，所述磁场系统100旋转时，推动线圈120的内端面的轨迹围成的区域与极化区转动过程中的转过的区域相重叠的部分形成磁调控区130。

磁颗粒调控聚集过程如下：首先，将磁颗粒分散于磁调控区130，然后先对极化线圈110通电，电压为U_jh，持续时间为T_j1，然后将电压降为U_j，持续时间为T_j2；间隔时间后_△T，向所述推动线圈120施加电压U_th，持续时间为T_t1，然后将电压降为U_t，持续时间为T_t2，以在第一个方向上推动磁颗粒。由于线圈存在磁阻抗效应，导致刚通电时，其磁场强度是一个逐渐增大然后趋于稳定的过程。首先向线圈施加高电压，使得线圈的磁场强度更快地增加到设计值，然后再施加较低的维持电压。相较于施加恒定的维持电压的做法，本方法能够提高磁场系统的响应性，使得磁性颗粒的运动更为可控。

接下来，磁场系统100转过一定角度，然后再次进行上述通电-推动过程。重复转动-推动的过程，磁场系统100旋转一周，完成一个通电推动周期。图5 展示了磁场系统100按照顺时针方向旋转，每次转过90°的位置示意图，经四次旋转完成一个通电周期。图6为对应的一个通电推动周期内磁颗粒聚集过程示意图。

本实施例给出一种与磁场系统100配套设置的旋转机构200，以实现磁场系统100的可控旋转，该旋转机构200用于带动所述磁场系统100绕极化区的中心在同一平面内旋转。

如图7所示，所述旋转机构200包括机架240，该机架240包括底座241和固设在该底座241上的门形架242。

所述门形架242的横梁上安装有驱动电机230，该驱动电机230的输出轴连接有转轴220，该转轴220竖向设置，其下端连接有转动架210。该转动架210 在水平平面内转动，该转动架210下方固定设置设有所述绕线骨架400和磁场系统100，该转轴220的轴心线通过所述磁调控区130的中心。驱动电机为步进电机。所述绕线骨架400下表面设有供样品进入的样品孔。

在所述磁场系统100下方设置有可升降样品台300，该可升降样品台300通过所述样品孔进出所述磁调控区130。

进行磁颗粒调控聚集实验时，先将磁颗粒分散于盛装液体的玻璃瓶内，然后将其放到可升降样品台300上，调节可升降样品台300的高度使玻璃瓶位于磁调控区130。然后磁场系统100通电工作，完成一次极化—推动过程。接下来，旋转机构200转动，使磁场系统100转过一定的角度，再次按照上述通电时序和电压大小完成一次推动。

重复上述通电推动周期，形成旋转磁场，连续极化和推动磁颗粒，直至磁颗粒较大程度地聚集到磁调控区域130的中心处。磁场系统100每次转过的角度越小，则完成一个通电推动周期需要进行推动的次数越多，对磁颗粒的调控聚集过程就更加精细。

本研究通过合理控制电源系统以获得适当的磁场，实现磁纳米颗粒在磁排斥力的作用下不断向前运动，通过平面内各个方向的推动，不断将磁纳米颗粒聚焦在磁调控区域中心。此种聚焦磁颗粒的方法和装置可应用于生物医学领域实验室研究，如深部肿瘤细胞的靶向去除，为更复杂、更接近生物体组织环境下的载药磁颗粒的靶向治疗提供基础。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本实用新型的优选实施例，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁颗粒磁控聚集装置，其特征在于：包括磁场系统(100)；

所述磁场系统(100)包括用于对磁颗粒进行极化的极化线圈(110)和用于推动磁颗粒运动的推动线圈(120)，该极化线圈(110)包括两个平行正对设置的子线圈(111)，两个所述子线圈(111)的绕线方向相同；

靠近任意一个所述子线圈(111)设有一个所述推动线圈(120)，所述推动线圈(120)的中心线垂直于所述子线圈(111)平面，所述推动线圈(120)的内端面朝向两个所述子线圈(111)之间。

2.根据权利要求1所述的磁颗粒磁控聚集装置，其特征在于：

所述极化线圈(110)为正方形线圈，其边长为L；

两个所述子线圈(111)之间的距离为D，D＝L/2。

3.根据权利要求1或2所述的磁颗粒磁控聚集装置，其特征在于：

两个所述子线圈(111)之间形成极化区，所述推动线圈(120)的中心线与所述子线圈(111)的中心线重合；

所述推动线圈(120)为螺线管，其半径为r，所述推动线圈(120)的内侧端面到所述极化区的中心的距离为d；

4.根据权利要求1所述的磁颗粒磁控聚集装置，其特征在于：所述推动线圈(120)设置于任一所述子线圈(111)的中心位置。

5.根据权利要求4所述的磁颗粒磁控聚集装置，其特征在于：还包括绕线骨架(400)，该绕线骨架(400)外绕制有所述子线圈(111)，所述推动线圈(120)穿设于所述绕线骨架(400)上，所述推动线圈(120)与所述绕线骨架(400)固定。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的磁颗粒磁控聚集装置，其特征在于：两个所述子线圈(111)由同一根极化导线同向绕制而成，该极化导线的中间段垂直于所述子线圈(111)，该极化导线中间段的两端分别连接有绕线圈数相同的所述子线圈(111)。

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