[实用新型]基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统

说明书

技术领域

本实用新型属于生物与医学纳米材料技术领域，特别涉及一种基于复合磁场的磁性纳米颗粒磁感应热聚焦系统。

背景技术

磁性纳米颗粒在交变磁场作用下能够升温。一般我们用单位质量的磁性材料在单位时间内产生的热量亦即比产热功率(SAR)来表征其热效应的大小，具体计算公式为

SAR＝C·ΔT/Δt·1/mFe

其中C是样品的比热，取铁氧体纳米颗粒的比热和水的比热的质量平均，ΔT/Δt是温度-时间曲线的起始斜率，mFe则是每克铁氧体纳米颗粒分散在溶液中金属离子的含量。

磁性纳米颗粒的热损耗主要是由磁滞和弛豫效应造成，而且其大小与材料的物化性质和交变磁场的场强和频率有关。

尺寸较大(大于单畴尺寸)的铁磁或亚铁磁纳米颗粒在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度，这种现象叫磁滞，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损失叫做磁滞损耗。经一次磁化循环，每单位体积材料中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积，这部分能量转化为热能。如果所加的磁场振幅不大，则磁化一周得到的磁滞回线可以用解析式来表示。这种磁滞回线称为瑞利磁滞回线。瑞利磁滞回线所对应的磁场范围称为瑞利区。在低频弱场区内由磁滞效应引起的损耗功率Ph为Ph=43μ0ηHm3f]]>

其中，μ0是真空磁导率，η是瑞利常数，Hm是磁场振幅，f是磁场频率。

此式清楚地表明，由磁滞效应引起的损耗功率与外加磁场的频率成正比，与外加磁场的振幅的三次方也成正比，同时还与瑞利常数成正比。

弛豫分为尼尔弛豫和布朗弛豫，其中布朗弛豫是磁性颗粒受到交变磁场作用时，磁矩固定在易磁化方向的颗粒在液体内转动而产生的弛豫；而尼尔弛豫则是磁性颗粒在交变磁场中，颗粒内的磁矩因热扰动克服能垒——磁各向异性能而发生转动产生的弛豫。

一般认为超顺磁性纳米材料在交变磁场中的损耗主要依赖于弛豫。对于超顺磁性的颗粒，其热效应归为尼尔弛豫和布朗弛豫所致。

布朗弛豫的弛豫时间τB可表示为：

τB＝3Vhη/kT

其中Vh是颗粒的水动力体积，η是载液的动力粘度，k是波尔兹曼常数，T是温度。

尼尔弛豫的弛豫时间τN则可表示为：

τN＝τ0expKV/kT

其中τ0～10-9s，KV为各向异性能，K为各向异性常数，V为颗粒体积。考虑这两种弛豫机制，体系的有效弛豫时间τeff为

τeff＝τNτB/(τN+τB)

起主要作用的机制是最短的弛豫时间，当τN＞＞τB时，τeff＝τB，当τN＜＜τB时，τeff＝τN。磁性纳米颗粒的弛豫损耗功率为

P＝(mHωτeff)2/[2τeffkTρV(1+ω2τeff2)]

其中m为颗粒磁矩，ρ为颗粒密度。P与τeff的关系是一个共振型曲线，当ωτeff＝1时，P达到最大值。

目前，磁性纳米颗粒在交变磁场作用下的热效应已经得到了广泛的研究和应用。在医学上，磁感应肿瘤热疗已经成为恶性肿瘤治疗的研究热点，其具有微创、靶向效应等优点。在1979年Gordon等提出了磁流体热疗或细胞内热疗的观点，即采用磁流体作为热疗的加热介质。德国的柏林洪堡大学医学院的Jordan研究组从1993年起就进行磁流体热疗的研究。

虽然磁感应肿瘤热疗在过去的几十年的时间里已经取得了巨大的进展，但是仍有一些问题制约着其进一步发展和应用，如对磁感应肿瘤热疗进行测温及热计量控制问题、对肿瘤热聚焦问题等。目前为实现对肿瘤区域的热聚焦，主要是采用抗体偶联磁性纳米颗粒，通过抗体与肿瘤抗原特异性结合实现磁性纳米颗粒在肿瘤区域的靶向。但是这种方法的成本较高，抗体与磁性纳米颗粒的偶联效率也有待进一步提高。

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