專(zhuān)利名稱(chēng)：基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于生物與醫(yī)學(xué)納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)作用下能夠升溫。一般我們用單位質(zhì)量的磁性材料在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量亦即比產(chǎn)熱功率(SAR)來(lái)表征其熱效應(yīng)的大小，具體計(jì)算公式為SAR = C · Δ T/ Δ t · 1/mFe其中C是樣品的比熱，取鐵氧體納米顆粒的比熱和水的比熱的質(zhì)量平均，AT/At 是溫度-時(shí)間曲線的起始斜率，mFe則是每克鐵氧體納米顆粒分散在溶液中金屬離子的含量。磁性納米顆粒的熱損耗主要是由磁滯和弛豫效應(yīng)造成，而且其大小與材料的物化性質(zhì)和交變磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和頻率有關(guān)。尺寸較大(大于單疇尺寸)的鐵磁或亞鐵磁納米顆粒在反復(fù)磁化的過(guò)程中，它的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是滯后于它的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這種現(xiàn)象叫磁滯，它的磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間呈現(xiàn)磁滯回線關(guān)系。在磁化過(guò)程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損失叫做磁滯損耗。經(jīng)一次磁化循環(huán)，每單位體積材料中的磁滯損耗等于磁滯回線的面積，這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能。如果所加的磁場(chǎng)振幅不大，則磁化一周得到的磁滯回線可以用解析式來(lái)表示。這種磁滯回線稱(chēng)為瑞利磁滯回線。瑞利磁滯回線所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)范圍稱(chēng)為瑞利區(qū)。在低頻弱場(chǎng)區(qū)內(nèi)
由磁滯效應(yīng)引起的損耗功率Wi ^Ph=VonHlf其中，μ 0是真空磁導(dǎo)率，η是瑞利常數(shù)，Hm是磁場(chǎng)振幅，f是磁場(chǎng)頻率。此式清楚地表明，由磁滯效應(yīng)引起的損耗功率與外加磁場(chǎng)的頻率成正比，與外加磁場(chǎng)的振幅的三次方也成正比，同時(shí)還與瑞利常數(shù)成正比。弛豫分為尼爾弛豫和布朗弛豫，其中布朗弛豫是磁性顆粒受到交變磁場(chǎng)作用時(shí)， 磁矩固定在易磁化方向的顆粒在液體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的弛豫；而尼爾弛豫則是磁性顆粒在交變磁場(chǎng)中，顆粒內(nèi)的磁矩因熱擾動(dòng)克服能全——磁各向異性能而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的弛豫。一般認(rèn)為超順磁性納米材料在交變磁場(chǎng)中的損耗主要依賴(lài)于弛豫。對(duì)于超順磁性的顆粒，其熱效應(yīng)歸為尼爾弛豫和布朗弛豫所致。布朗弛豫的弛豫時(shí)間τ B可表示為τ B = 3Vh n /kT其中Vh是顆粒的水動(dòng)力體積，η是載液的動(dòng)力粘度，k是波爾茲曼常數(shù)，T是溫度。尼爾弛豫的弛豫時(shí)間τ N則可表示為τ N = τ OexpKV/kT其中τ 0 10_9s，KV為各向異性能，K為各向異性常數(shù)，V為顆粒體積?？紤]這兩種弛豫機(jī)制，體系的有效弛豫時(shí)間τ eff為τ eff = τ N τ B/ ( τ N+ τ B)起主要作用的機(jī)制是最短的弛豫時(shí)間，當(dāng)τΝ>> τ B時(shí)，Teff= τ B，當(dāng)τ N << τ B時(shí)，Teff= τ N。磁性納米顆粒的弛豫損耗功率為P = (mH ω τ eff) 2/ [2 τ effkT P V (1+ ω 2 τ eff2)]其中m為顆粒磁矩，P為顆粒密度。P與Teff的關(guān)系是一個(gè)共振型曲線，當(dāng) ω τ eff = 1時(shí)，P達(dá)到最大值。目前，磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)作用下的熱效應(yīng)已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。 在醫(yī)學(xué)上，磁感應(yīng)腫瘤熱療已經(jīng)成為惡性腫瘤治療的研究熱點(diǎn)，其具有微創(chuàng)、靶向效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。在1979年Gordon等提出了磁流體熱療或細(xì)胞內(nèi)熱療的觀點(diǎn)，即采用磁流體作為熱療的加熱介質(zhì)。德國(guó)的柏林洪堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Jordan研究組從1993年起就進(jìn)行磁流體熱療的研究。雖然磁感應(yīng)腫瘤熱療在過(guò)去的幾十年的時(shí)間里已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但是仍有一些問(wèn)題制約著其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，如對(duì)磁感應(yīng)腫瘤熱療進(jìn)行測(cè)溫及熱計(jì)量控制問(wèn)題、 對(duì)腫瘤熱聚焦問(wèn)題等。目前為實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤區(qū)域的熱聚焦，主要是采用抗體偶聯(lián)磁性納米顆粒，通過(guò)抗體與腫瘤抗原特異性結(jié)合實(shí)現(xiàn)磁性納米顆粒在腫瘤區(qū)域的靶向。但是這種方法的成本較高，抗體與磁性納米顆粒的偶聯(lián)效率也有待進(jìn)一步提高。

實(shí)用新型內(nèi)容實(shí)用新型目的針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)下升溫行為的控制問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，包括產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置和磁性納米顆粒，所述產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，磁性納米顆粒位于該交變磁場(chǎng)中，還包括至少兩塊分布在所述產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置的兩側(cè)且同極相對(duì)的永磁體，提供恒磁場(chǎng)，所述永磁體距產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置的中心線的距離大致相等。所述磁性納米顆?？蛇x擇鐵、鈷、鎳等金屬及其合金磁性納米顆粒，四氧化三鐵、三氧化二鐵、錳鐵氧體、鈷鐵氧體、鎳鐵氧體、鋅鐵氧體及錳鋅鐵氧體等氧化物磁性納米顆粒，磁性納米顆粒的粒徑可為Ι-lOOnm，具有在交變磁場(chǎng)下升溫的功能，SAR值可大于50w/g。所述產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置可為鐵氧體線圈或螺線管線圈，所述交變磁場(chǎng)的頻率可為 50kHz-lMHz，功率可為 10kw_100kw。所述同極相對(duì)的永磁體之間的距離可為l-50cm，每塊所述永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度可為0. 1-0. 5特斯拉，對(duì)所述永磁體可用循環(huán)水冷卻保護(hù)，以避免永磁體在交變磁場(chǎng)中升溫。所述永磁體的數(shù)量可為兩塊，且其連線與產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置的中心線大致垂直。所述永磁體的數(shù)量也可為四塊且兩組同極相對(duì)的永磁體之間的角度可為30-90度。本實(shí)用新型通過(guò)在交變磁場(chǎng)上復(fù)合恒磁場(chǎng)來(lái)控制磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)下的升溫行為。外加的恒磁場(chǎng)由兩塊永磁體提供。兩塊永磁體同極相對(duì)，提供互相排斥的恒磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)在空間上如圖1所示進(jìn)行復(fù)合。這樣就在兩塊永磁體之間的中心提供了一個(gè)無(wú)恒磁場(chǎng)或恒磁場(chǎng)很弱的區(qū)域，該區(qū)域?qū)蛔兇艌?chǎng)基本無(wú)影響。當(dāng)磁性納米顆粒處在復(fù)合磁場(chǎng)作用下升溫時(shí)，處于該區(qū)域的磁性納米顆粒因?yàn)閹缀醪皇芎愦艌?chǎng)的作用可以在交變磁場(chǎng)作用下正常升溫。而有恒磁場(chǎng)作用的磁性納米顆粒則相當(dāng)于增大了磁性納米顆粒進(jìn)行磁滯升溫或弛豫升溫的能壘，使得顆粒磁滯效應(yīng)損耗功率減小，或者使顆粒布朗旋轉(zhuǎn)或磁矩翻轉(zhuǎn)更加困難，減小了弛豫損耗。如此形成了四周磁感應(yīng)熱被抑制，而內(nèi)部升溫正常的區(qū)域，并且可以通過(guò)改變兩塊永磁體之間的距離和永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)該區(qū)域的大小及周?chē)鸥袘?yīng)熱抑制進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)空間選擇性加熱，即實(shí)現(xiàn)了磁感應(yīng)熱聚焦。如果要對(duì)磁感應(yīng)熱聚焦區(qū)域進(jìn)行更為精確和復(fù)雜的選擇和控制，則可以由若干塊按特定陣列排布的永磁體來(lái)提供需要的恒磁場(chǎng)，圖2所示即為其中一種排布方式。有益效果本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性納米顆粒熱效應(yīng)的精確控制和對(duì)分散有磁性納米顆粒區(qū)域內(nèi)局部位置的選擇性升溫，成本較低，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤區(qū)域的選擇性加熱，從而減輕熱療對(duì)正常組織的損傷。本實(shí)用新型同時(shí)還可以應(yīng)用于對(duì)化學(xué)反應(yīng)體系的區(qū)域選擇性加熱，從而達(dá)到控制化學(xué)反應(yīng)速率的目的。

圖1為實(shí)施例1中磁性納米顆粒在復(fù)合磁場(chǎng)作用下升溫的示意圖，圖中1指交變磁場(chǎng)，2和16指第一永磁體和第二永磁體，3指恒磁場(chǎng)，4指磁性納米顆粒，5指螺線管線圈；圖2為實(shí)施例3中磁性納米顆粒在復(fù)合磁場(chǎng)作用下升溫的示意圖，圖中6、7、8和 9指第三至第六永磁體，10和11指第一鐵氧體線圈和第二鐵氧體線圈；圖3為實(shí)施例2中交變磁場(chǎng)與恒磁場(chǎng)的空間關(guān)系示意圖，圖中12指鐵氧體，13指纏繞在鐵氧體上的線圈，14和15指第七永磁體和第八永磁體。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了由交變磁場(chǎng)和恒磁場(chǎng)復(fù)合而成的復(fù)合磁場(chǎng)。復(fù)合磁場(chǎng)使磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)作用下升溫時(shí)形成磁感應(yīng)熱聚焦區(qū)域，從而控制磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)作用下升溫行為。對(duì)磁性納米顆粒的具體要求磁性納米顆粒選擇鐵、鈷、鎳等金屬及其合金磁性納米顆粒，四氧化三鐵、三氧化二鐵、錳鐵氧體、鈷鐵氧體、鎳鐵氧體、鋅鐵氧體及錳鋅鐵氧體等氧化物磁性納米顆粒，納米顆粒的粒徑為Ι-lOOnm，具有在交變磁場(chǎng)下升溫的功能，SAR值大于50w/g。對(duì)復(fù)合磁場(chǎng)的具體要求交變磁場(chǎng)可由鐵氧體或螺線管線圈提供，其頻率為50kHz-lMHz，功率為 IOkw-IOOkw 可調(diào)。 恒磁場(chǎng)可以由兩塊同極相對(duì)的永磁體提供，相對(duì)的同極為N極和N極或S極和S極，永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0. 1-0. 5特斯拉可調(diào)，兩塊永磁體之間的距離為l-50cm可調(diào)。恒磁場(chǎng)也可以由若干塊按特定陣列排布的永磁體提供，每塊永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0. 1-0. 5特斯拉可調(diào)。永磁體陣列中，兩塊同極相對(duì)磁鐵為一組，兩組之間角度為30-90
度可調(diào)。為了避免永磁體在交變磁場(chǎng)中升溫，需對(duì)永磁體進(jìn)行循環(huán)水冷卻保護(hù)。實(shí)施例1 螺線管線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)下的磁感應(yīng)熱聚焦。磁性納米顆粒4選擇平均粒徑為12nm的四氧化三鐵納米顆粒，為提高顆粒的穩(wěn)定性和生物相容性，其表面修飾有二巰基丁二酸，磁性納米顆粒4的濃度為ang/cm3 ；交變磁場(chǎng)1由螺線管線圈5提供，其額定功率為80kw，頻率為IOOkHz ；恒磁場(chǎng)3由兩塊同極相對(duì)的第一永磁體2和第二永磁體16提供，第一永磁體2和第二永磁體16的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為 0. 5T，第一永磁體2和第爾永磁體16之間的距離為11cm。第一永磁體2和第二永磁體16 由循環(huán)水進(jìn)行冷卻。交變磁場(chǎng)1與恒磁場(chǎng)3的空間關(guān)系如圖1所示。磁聚焦區(qū)域的恒磁場(chǎng) 3的磁感應(yīng)強(qiáng)度接近于OmT。磁聚焦區(qū)域可在十五分鐘內(nèi)升溫12攝氏度，而有磁性納米顆粒4分散的其他區(qū)域的升溫只有6攝氏度或者更低。實(shí)施例2 鐵氧體線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)下的磁感應(yīng)熱聚焦.磁性納米顆粒選擇平均粒徑為12nm的三氧化二鐵納米顆粒，其晶型為立方尖晶石型，為提高納米顆粒的穩(wěn)定性和生物相容性，其表面修飾有二巰基丁二酸，磁性納米顆粒的濃度為ang/cm3 ；交變磁場(chǎng)由鐵氧體線圈提供，鐵氧體線圈如圖3所示，是由鐵氧體12和纏繞在鐵氧體12上的線圈13組成，交變磁場(chǎng)的額定功率為lOOkw，頻率為120kHz ；恒磁場(chǎng)由兩塊同極相對(duì)的永磁體14和15提供，第七永磁體14和第八永磁體15的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為0. 5T，第七永磁體14和第八永磁體15之間的距離為9cm。永磁體14和15由循環(huán)水進(jìn)行冷卻。交變磁場(chǎng)與恒磁場(chǎng)的空間關(guān)系如圖3所示。磁聚焦區(qū)域的恒磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度接近于OmT。磁聚焦區(qū)域可在十五分鐘內(nèi)升溫12攝氏度，而有磁性納米顆粒分散的其他區(qū)域的升溫只有6攝氏度或者更低。實(shí)施例3 鐵氧體線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)和永磁體陣列產(chǎn)生恒磁場(chǎng)的復(fù)合磁場(chǎng)作用下的磁聚焦。磁性納米顆粒選擇平均粒徑為IOnm的錳鋅鐵氧體納米顆粒，其晶型為立方尖晶石型，為提高納米顆粒的穩(wěn)定性和生物相容性，其表面修飾有二巰基丁二酸，磁性納米顆粒的濃度為ang/cm3 ；交變磁場(chǎng)由第一鐵氧體線圈10和第二鐵氧體線圈11提供，其額定功率為lOOkw，頻率為150KHz ；恒磁場(chǎng)由四塊同極相對(duì)的第三至第六永磁體6、7、8和9提供，第三至第六永磁體6、7、8和9的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為0. 5T。第三至第六永磁體6、7、8和9由循環(huán)水進(jìn)行冷卻。第一鐵氧體線圈10和第二鐵氧體線圈11與第三至第六永磁體6、7、8和9的空間關(guān)系如圖2所示。磁聚焦區(qū)域的恒磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度接近于OmT。磁聚焦區(qū)域可在十五分鐘內(nèi)升溫12攝氏度，而有磁性納米顆粒分散的其他區(qū)域的升溫只有4攝氏度或者更低。
權(quán)利要求1.一種基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，包括產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置和磁性納米顆粒，所述產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，磁性納米顆粒位于該交變磁場(chǎng)中， 其特征在于還包括至少兩塊分布在所述產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置的兩側(cè)且同極相對(duì)的永磁體，所述永磁體距產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置的中心線的距離大致相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述磁性納米顆粒的粒徑為1-lOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置為鐵氧體線圈或螺線管線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述同極相對(duì)的永磁體之間的距離為l-50cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，其特征在于對(duì)所述永磁體用循環(huán)水冷卻保護(hù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述永磁體的數(shù)量為兩塊，且其連線與產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置的中心線大致垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述永磁體的數(shù)量為四塊且兩組同極相對(duì)的永磁體之間的角度為30-90度。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于復(fù)合磁場(chǎng)的磁性納米顆粒磁感應(yīng)熱聚焦系統(tǒng)，包括產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置和磁性納米顆粒，所述產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，磁性納米顆粒分散于該交變磁場(chǎng)中，還包括至少兩塊分布在所述產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置的兩側(cè)且同極相對(duì)的永磁體，所述永磁體距產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的裝置的中心線的距離大致相等。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性納米顆粒熱效應(yīng)的精確控制和對(duì)分散有磁性納米顆粒區(qū)域內(nèi)局部位置的選擇性升溫，成本較低，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤區(qū)域的選擇性加熱，從而減輕熱療對(duì)正常組織的損傷。本實(shí)用新型同時(shí)還可以應(yīng)用于對(duì)化學(xué)反應(yīng)體系的區(qū)域選擇性加熱，從而達(dá)到控制化學(xué)反應(yīng)速率的目的。
文檔編號(hào)H01F7/02GK202105321SQ201120179208
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者嚴(yán)長(zhǎng)志, 張宇, 沈旭黎, 董金來(lái), 顧寧, 馬明 申請(qǐng)人:東南大學(xué)