磁性纳米颗粒电磁致热效应在医学中的应用研究

发布时间：2020-11-22 02:55

　　 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。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TB383.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 磁性纳米颗粒简介
        1.1.1 纳米材料
        1.1.2 纳米材料的特性
        1.1.3 磁性纳米颗粒
    1.2 磁性纳米颗粒在生物医学中的应用
        1.2.1 医学扫描成像系统
        1.2.2 基于磁性信号的纳米生物检测
        1.2.3 靶向性药物传输
        1.2.4 磁热疗
    1.3 应用现状和发展趋势
    1.4 本论文研究内容
第2章 磁性与磁热机制
    2.1 物质的磁性
        2.1.1 抗磁性
        2.1.2 顺磁性
        2.1.3 铁磁性
        2.1.4 反铁磁性
        2.1.5 亚铁磁性
        2.1.6 超顺磁性
        2.1.7 其它磁有序
    2.2 铁氧体材料磁学性质
        2.2.1 晶体结构
        2.2.2 磁学性质
    2.3 磁性材料的磁损耗机制
        2.3.1 涡流损耗
        2.3.2 磁滞损耗
        2.3.3 弛豫损耗
    2.4 小结
第3章 磁性纳米颗粒的制备和分析方法
    3.1 磁性纳米颗粒的制备
        3.1.1 共沉淀法
        3.1.2 水热法
        3.1.3 微乳液法
        3.1.4 热分解法
        3.1.5 多元醇法
    3.2 分析方法
        3.2.1 X射线衍射分析
        3.2.2 透射电子显微分析
        3.2.3 磁性测量
        3.2.4 X射线能谱分析
        3.2.5 磁热感应测量
    3.3 小结
第4章 铁氧体纳米颗粒形貌和磁性调控方法
    4.1 引言
3O₄纳米颗粒'>    4.2 FE₃O₄纳米颗粒
3O₄纳米颗粒的制备'>        4.2.1 Fe₃O₄纳米颗粒的制备
        4.2.2 形貌及磁性分析
2O₄纳米颗粒'>    4.3 MNFE₂O₄纳米颗粒
        4.3.1 纳米颗粒制备
        4.3.2 形貌及磁性分析
1-XCO_XFE₂O₄纳米颗粒'>    4.4 MN_1-XCO_XFE₂O₄纳米颗粒
        4.4.1 纳米颗粒制备
        4.4.2 形貌及磁性分析
    4.5 小结
第5章 尺寸可控的锰铁氧体纳米颗粒磁热效应
    5.1 前言
    5.2 磁性纳米颗粒的制备
2O₄纳米颗粒的制备'>        5.2.1 7nm和 12nm MnFe₂O₄纳米颗粒的制备
2O₄纳米颗粒的制备'>        5.2.2 18nm和 21nm Mn Fe₂O₄纳米颗粒的制备
2O₄@SiO₂纳米复合颗粒的制备'>        5.2.3 Mn Fe₂O₄@SiO₂纳米复合颗粒的制备
2O₄纳米颗粒的形貌与磁性'>    5.3 MNFE₂O₄纳米颗粒的形貌与磁性
2O₄@SIO2纳米颗粒的磁热性能'>    5.4 MNFE₂O₄@SIO2纳米颗粒的磁热性能
    5.5 理论分析
    5.6 小结
第6章 各向异性对纳米颗粒在射频场中产热行为的影响
    6.1 引言
1-XCO_XFE₂O₄纳米颗粒磁性的调控'>    6.2 CO对MN_1-XCO_XFE₂O₄纳米颗粒磁性的调控
1-xCo_xFe₂O₄磁性纳米颗粒的制备'>        6.2.1 Mn_1-xCo_xFe₂O₄磁性纳米颗粒的制备
1-xCo_xFe₂O₄磁性纳米颗粒的形貌和磁性'>        6.2.2 Mn_1-xCo_xFe₂O₄磁性纳米颗粒的形貌和磁性
1-XCO_XFE₂O₄纳米颗粒磁热性能的调控'>    6.3 CO对MN_1-XCO_XFE₂O₄纳米颗粒磁热性能的调控
1-xCo_xFe₂O₄ @SiO₂纳米复合颗粒的制备'>        6.3.1 Mn_1-xCo_xFe₂O₄ @SiO₂纳米复合颗粒的制备
1-xCo_xFe₂O₄ @SiO₂纳米复合颗粒的形貌'>        6.3.2 Mn_1-xCo_xFe₂O₄ @SiO₂纳米复合颗粒的形貌
1-xCo_xFe₂O₄ @SiO₂纳米复合颗粒的磁热性能'>        6.3.3 Mn_1-xCo_xFe₂O₄ @SiO₂纳米复合颗粒的磁热性能
        6.3.4 理论分析
1-XCO_XFE₂O₄纳米颗粒磁热性能'>    6.4 参数优化的MN_1-XCO_XFE₂O₄纳米颗粒磁热性能
        6.4.1 参数优化方法
        6.4.2 参数优化磁性纳米颗粒的制备、形貌和磁性
        6.4.3 参数优化磁性纳米颗粒的磁热性能
        6.4.4 理论分析
    6.5 小结
第7章 生物预实验
    7.1 引言
    7.2 纳米磁性骨水泥体外预实验
        7.2.1 纳米磁性骨水泥的制备
        7.2.2 纳米磁性骨水泥的加热实验
        7.2.3 理论分析
        7.2.4 猪骨加热实验
    7.3 纳米磁性细胞培养液预实验
        7.3.1 纳米磁性细胞培养液的制备
        7.3.2 纳米磁性细胞培养液的加热实验
    7.4 纳米磁性琼脂培养基预实验
        7.4.1 纳米磁性琼脂培养基的制备
        7.4.2 纳米磁性琼脂培养基的加热实验
    7.5 小结
结论
参考文献
附录
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢
作者简介


本文编号：2893993