基于纳米颗粒光热特性的肿瘤热疗温度场主被动调控
发布时间：2021-11-25 09:17
近年来纳米技术得到了全方位的发展,微纳尺度光热转换与传输在包括生物医学领域在内的众多应用中起到至关重要的作用。2018年世界卫生组织公布的数据显示,全球癌症发病率和死亡率仍呈快速上升趋势。微纳尺度材料特有的高效光热转换特性可产生纳米尺度的高热流密度可调控热源,从而为新一代精准医学诊疗技术以及其他潜在的应用提供新的途径。纳米颗粒辅助的激光诱导肿瘤热疗技术是一种极具前景的精准肿瘤替代疗法,近些年得到了快速发展。然而,现有技术主要通过实时测温技术（热电偶、近红外测温、超声测温、光声测温以及磁共振温度成像技术等）监控肿瘤区域及周围组织温度,在此基础上通过调节热剂量（激光功率、超声强度或磁场强度等）来控制肿瘤区域温度。由于测温技术存在一定误差以及热剂量调控的滞后性,对于肿瘤区域温度的实时精准调控具有一定的困难。除此之外,在肿瘤光热治疗过程中,由于纳米颗粒对激光的强衰减作用,往往在肿瘤与正常组织交界处形成高温区域,由于热扩散作用导致正常组织的过热现象很难避免。基于以上问题,本文主要研究了外加光源激励下单个纳米颗粒和纳米颗粒团聚体的局部表面等离激元共振作用引发的独特光吸收和散射现象,以及由此产生的局...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)直径D=80nm的纳米球的消光、吸收和散射因子；(b)纳米块(40×40×80nm)的吸收因子
第2章复杂结构纳米颗粒光热特性及影响因素分析-19-2.3.2金纳米笼的光学性质目前以银纳米块作为电化学置换法的模板被广泛使用在制备空心金纳米笼过程中，该方法能够精准控制纳米笼的孔隙尺寸、壁厚以及墙孔隙度[143,144]。图2-2(a)为金纳米笼的模型图及制作过程，其八个角都为三角孔[145]。本节中，纳米笼结构参数分别定义为边长l，三角孔外边长w和壁厚d，如图2-2(b)所示。入射光垂直于金纳米笼表面入射，入射光波长变化范围为400nm–1200nm，周围介质为水（折射率为1.33）。图2-2(a)金纳米笼的模型图及制作过程；(b)纳米笼的结构参数Fig.2-2(a)TruncatedAunanocagewithalltheeightcornersreplacedbytriangularholesanditsfabricationprocess;(b)structuralparametersofthenanocage.纳米颗粒在激光诱导热疗领域的应用中，所选取的纳米颗粒需要具有较高的光吸收效率，从而提高其靶向杀伤效果[146]。然而对于其在生物医学光学成像领域的应用，则需要其具有较高的散射吸收效率和较高的散射截面，从而提高其对比度，以增加成像清晰度[147]。本节主要研究金纳米笼的结构参数对其光学性质的影响，以及金纳米笼在LSPR波长处的光吸收效率（定义为吸收因子和消光因子的比值）：absextResQQ(2-28)图2-3为纳米笼（l=80nm，w=35.4nm，d=5nm）的光谱特性和LSPR波长处的电场分布情况。可以看出，该纳米笼的光谱特性具有两个峰值，分别在波长=934nm和=698nm处，定义为一阶共振峰和二阶共振峰。金纳米
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-20-笼出现两个共振峰是由于颗粒内部电场相位延迟而导致的多级等离激元共振所引起的[148]。在一阶共振波长=934nm处，吸收、散射和消光截面分别是5.74×10-14m2，5.73×10-14m2和1.15×10-13m2，相对应的吸收、散射和消光因子为16.9，16.8和33.8。在二阶共振波长=698nm处，吸收、散射和消光因子为Qabs=5.59，Qsca=1.98和Qext=7.57。光吸收效率在共振波长934nm和698nm时分别为0.50和0.74。也就是说，虽然在二阶共振峰值处，其吸收散射截面都明显小于一阶共振，然而其光热转化效率却高于一阶共振。此结论对于纳米笼在肿瘤热疗以及生物医学成像中入射光波长的选择具有重要意义。从电场分布情况可知，在一阶共振波长处的最大电场强度明显强于二阶共振波长处。除此之外，可以看出对于一阶共振激发的是纳米笼外部边界的共振，而二阶共振激发的则是内部边界的共振（电场强度最大处）。图2-3纳米笼（l=80nm，w=35.4nm，d=5nm）的光学性质和一阶共振波长（=934nm）及二阶共振波长（=698nm）处的电场分布情况Fig.2-3Opticalpropertiesandelectricfieldatthe1stresonantwavelength=934nmandthe2ndresonantwavelength=698nmofanindividualnanocagewithedgelengthl=80nm,sidelengthoftrianglew=35.4nmandwallthicknessd=5nm.2.3.3结构参数对金纳米笼光学性质的影响众所周知，纳米颗粒的结构参数变化对其光学性质具有重要影响。本节研究金纳米笼的结构参数（边长l，三角孔外边长w和壁厚d）对其光学性质的影响。图2-4(a)显示了在三角孔外边长（w=35.4nm）和壁厚（d=5nm）不变的
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fluorescent Silicon Nanorods?Based Nanotheranostic Agents for Multimodal Imaging?Guided Photothermal Therapy[J]. Mingyue Cui,Sangmo Liu,Bin Song,Daoxia Guo,Jinhua Wang,Guyue Hu,Yuanyuan Su,Yao He. Nano-Micro Letters. 2019(04)
[2]肿瘤热疗无损测温方法的研究进展[J]. 嵇敏洁,印佳,杨悦,韩佳薇,吴小玲. 北京生物医学工程. 2019(01)
[3]非独立散射对纳米颗粒介质光热效应的影响[J]. 陶阳,李佳玉. 光散射学报. 2017(02)
[4]纳米结构光子吸收特性的强化及调控[J]. 段慧玲,宣益民,李强. 科学通报. 2015(24)
[5]皮肤传热的双相位滞后模型[J]. 卢天健,徐峰. 西安交通大学学报. 2009(05)
[6]飞秒激光在细胞纳米手术中的应用[J]. 戴娟,周明,杨海峰,杨加宏,郑傲然. 光学技术. 2007(05)
[7]纳米颗粒的修饰及其在医药领域的应用[J]. 高萍,张向荣,徐晖,王绍宁,姬雅菊,郑俊民,陈大为. 中国药剂学杂志(网络版). 2004(06)
[8]求解相变传热问题的等效热容法[J]. 周业涛,关振群,顾元宪. 化工学报. 2004(09)
[9]纳米流体的聚集结构和导热系数模拟[J]. 宣益民,胡卫峰,李强. 工程热物理学报. 2002(02)
博士论文
[1]新型器官保存液的研制及其对大鼠肺脏低温保存的效果研究[D]. 荆蕾.吉林大学 2018
[2]金纳米颗粒光热参数重建及其在激光诱导热疗中的应用[D]. 任亚涛.哈尔滨工业大学 2017
[3]金属—电介质微纳结构谐振增强光学特性研究[D]. 赵鼎.浙江大学 2016
硕士论文
[1]冷冻载体优化制备及对牛卵母细胞玻璃化冷冻效果的影响[D]. 裴旭哲.河南科技大学 2017
本文编号：3517848
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)直径D=80nm的纳米球的消光、吸收和散射因子；(b)纳米块(40×40×80nm)的吸收因子
第2章复杂结构纳米颗粒光热特性及影响因素分析-19-2.3.2金纳米笼的光学性质目前以银纳米块作为电化学置换法的模板被广泛使用在制备空心金纳米笼过程中，该方法能够精准控制纳米笼的孔隙尺寸、壁厚以及墙孔隙度[143,144]。图2-2(a)为金纳米笼的模型图及制作过程，其八个角都为三角孔[145]。本节中，纳米笼结构参数分别定义为边长l，三角孔外边长w和壁厚d，如图2-2(b)所示。入射光垂直于金纳米笼表面入射，入射光波长变化范围为400nm–1200nm，周围介质为水（折射率为1.33）。图2-2(a)金纳米笼的模型图及制作过程；(b)纳米笼的结构参数Fig.2-2(a)TruncatedAunanocagewithalltheeightcornersreplacedbytriangularholesanditsfabricationprocess;(b)structuralparametersofthenanocage.纳米颗粒在激光诱导热疗领域的应用中，所选取的纳米颗粒需要具有较高的光吸收效率，从而提高其靶向杀伤效果[146]。然而对于其在生物医学光学成像领域的应用，则需要其具有较高的散射吸收效率和较高的散射截面，从而提高其对比度，以增加成像清晰度[147]。本节主要研究金纳米笼的结构参数对其光学性质的影响，以及金纳米笼在LSPR波长处的光吸收效率（定义为吸收因子和消光因子的比值）：absextResQQ(2-28)图2-3为纳米笼（l=80nm，w=35.4nm，d=5nm）的光谱特性和LSPR波长处的电场分布情况。可以看出，该纳米笼的光谱特性具有两个峰值，分别在波长=934nm和=698nm处，定义为一阶共振峰和二阶共振峰。金纳米
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-20-笼出现两个共振峰是由于颗粒内部电场相位延迟而导致的多级等离激元共振所引起的[148]。在一阶共振波长=934nm处，吸收、散射和消光截面分别是5.74×10-14m2，5.73×10-14m2和1.15×10-13m2，相对应的吸收、散射和消光因子为16.9，16.8和33.8。在二阶共振波长=698nm处，吸收、散射和消光因子为Qabs=5.59，Qsca=1.98和Qext=7.57。光吸收效率在共振波长934nm和698nm时分别为0.50和0.74。也就是说，虽然在二阶共振峰值处，其吸收散射截面都明显小于一阶共振，然而其光热转化效率却高于一阶共振。此结论对于纳米笼在肿瘤热疗以及生物医学成像中入射光波长的选择具有重要意义。从电场分布情况可知，在一阶共振波长处的最大电场强度明显强于二阶共振波长处。除此之外，可以看出对于一阶共振激发的是纳米笼外部边界的共振，而二阶共振激发的则是内部边界的共振（电场强度最大处）。图2-3纳米笼（l=80nm，w=35.4nm，d=5nm）的光学性质和一阶共振波长（=934nm）及二阶共振波长（=698nm）处的电场分布情况Fig.2-3Opticalpropertiesandelectricfieldatthe1stresonantwavelength=934nmandthe2ndresonantwavelength=698nmofanindividualnanocagewithedgelengthl=80nm,sidelengthoftrianglew=35.4nmandwallthicknessd=5nm.2.3.3结构参数对金纳米笼光学性质的影响众所周知，纳米颗粒的结构参数变化对其光学性质具有重要影响。本节研究金纳米笼的结构参数（边长l，三角孔外边长w和壁厚d）对其光学性质的影响。图2-4(a)显示了在三角孔外边长（w=35.4nm）和壁厚（d=5nm）不变的
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fluorescent Silicon Nanorods?Based Nanotheranostic Agents for Multimodal Imaging?Guided Photothermal Therapy[J]. Mingyue Cui,Sangmo Liu,Bin Song,Daoxia Guo,Jinhua Wang,Guyue Hu,Yuanyuan Su,Yao He. Nano-Micro Letters. 2019(04)
[2]肿瘤热疗无损测温方法的研究进展[J]. 嵇敏洁,印佳,杨悦,韩佳薇,吴小玲. 北京生物医学工程. 2019(01)
[3]非独立散射对纳米颗粒介质光热效应的影响[J]. 陶阳,李佳玉. 光散射学报. 2017(02)
[4]纳米结构光子吸收特性的强化及调控[J]. 段慧玲,宣益民,李强. 科学通报. 2015(24)
[5]皮肤传热的双相位滞后模型[J]. 卢天健,徐峰. 西安交通大学学报. 2009(05)
[6]飞秒激光在细胞纳米手术中的应用[J]. 戴娟,周明,杨海峰,杨加宏,郑傲然. 光学技术. 2007(05)
[7]纳米颗粒的修饰及其在医药领域的应用[J]. 高萍,张向荣,徐晖,王绍宁,姬雅菊,郑俊民,陈大为. 中国药剂学杂志(网络版). 2004(06)
[8]求解相变传热问题的等效热容法[J]. 周业涛,关振群,顾元宪. 化工学报. 2004(09)
[9]纳米流体的聚集结构和导热系数模拟[J]. 宣益民,胡卫峰,李强. 工程热物理学报. 2002(02)
博士论文
[1]新型器官保存液的研制及其对大鼠肺脏低温保存的效果研究[D]. 荆蕾.吉林大学 2018
[2]金纳米颗粒光热参数重建及其在激光诱导热疗中的应用[D]. 任亚涛.哈尔滨工业大学 2017
[3]金属—电介质微纳结构谐振增强光学特性研究[D]. 赵鼎.浙江大学 2016
硕士论文
[1]冷冻载体优化制备及对牛卵母细胞玻璃化冷冻效果的影响[D]. 裴旭哲.河南科技大学 2017
本文编号：3517848
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