磁性纳米颗粒电磁致热效应在医学中的应用研究

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磁性材料在射频场中可以在将电磁能量转化为热能。磁热疗是利用磁性物质在射频场中的磁热效应而进行临床治疗的一种手段。利用磁性纳米颗粒的磁热感应对某些肿瘤进行靶向性热疗,成为目前纳米磁学领域的热点之一。铁氧体磁性纳米颗粒因为良好的生物兼容性和稳定性被认为是磁热疗的理想候选材料。但是,目前由于磁性纳米颗粒在射频场中的产热效率还比较低,阻碍了磁热疗在临床治疗中的应用。本论文的主要工作是采用有机溶剂热分解法制备了多种成分的铁氧体磁性纳米颗粒,研究了颗粒尺寸和各向异性对磁性和磁热效应的影响规律,进一步提高了铁氧体磁性纳米颗粒在射频场中的产热能力,并通过生物预实验验证了制备的磁性纳米颗粒在磁热疗中应用的性能。主要的内容和创新如下:1.采用热分解的方法,实现了对铁氧体纳米颗粒的成分、尺寸和形貌的可控性制备。通过改变还原剂和回流条件,一步法制备出较大尺寸(20-40nm)的Fe3O4纳米颗粒,与常规的种子介导法制备较大尺寸纳米颗粒相比简化了合成的步骤。2.研究了颗粒尺寸对MnFe2O4纳米颗粒在射频场中产热能力(SAR)的影响规律,内核尺寸为7nm~21nm的核壳结构MnFe2O4@SiO2纳米复合颗粒在射频场中SAR值随颗粒尺寸的增加而显著增大。当MnFe2O4纳米颗粒的直径为21 nm时,核壳结构MnFe2O4@SiO2纳米复合颗粒在水溶液中仍能保持很好的单分散性,其在射频场(f=400 kHz,H=25 kA/m)中的SAR值达到458 W/g,高于文献报道的MnFe2O4纳米颗粒的SAR数值。3.提出在Fe3O4纳米颗粒中复合掺入Mn和Co元素,通过改变Mn和Co的比例实现了对铁氧体纳米颗粒各向异性的调控,与文献报道的核壳结构相比,该方法更简单易实现。从理论上计算了在400 kHz的射频场中,纳米颗粒损耗达到最大时,不同尺寸纳米颗粒的最佳各向异性值。通过对颗粒尺寸和各向异性的调控,制备了21 nm的Mn0.99Co0.01Fe2O4纳米颗粒,使其处于超顺磁和铁磁性的临界状态,其SAR值高达1200 W/g,且经SiO2包覆后在水溶液中具有很好的单分散性,完全满足磁热疗生物实验要求。从实验上验证Carrey的磁热理论,为设计高SAR值磁性纳米颗粒提供了依据。4.通过生物预实验验证纳米颗粒的加热效率,将纳米骨水泥中的磁性纳米颗粒的浓度降至0.8 wt%时,其在射频场中的温度可达到50~60℃,磁性纳米颗粒的浓度远低于文献报道的50 wt%,大大减小了骨肿瘤磁热疗中由纳米颗粒引起潜在毒副作用的可能性。在此基础上,提出通过磁场取向得到了各向异性纳米骨水泥,进一步提高了纳米磁性骨水泥的产热能力,为提高纳米磁性骨水泥磁热疗效果提供一种新的思路。
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