基于三维磁场的磁性纳米粒子聚集方法与流程

本发明涉及磁场聚集技术领域，更为具体地，涉及一种基于三维磁场的磁性纳米粒子聚集方法。

背景技术：

长期以来肿瘤治疗的方法有手术切除法、化学疗法和放射疗法。手术法因无法完全清除癌细胞，容易造成癌细胞再次扩散，加上多数人体器官一旦切除就无法再生，使手术法局限性大。化学疗法和放射疗法在杀死癌细胞的同时又大量伤害了正常细胞，引起很多副作用和并发症。人类研究发现：肿瘤部位的神经和血管不发达，容易被加热，癌细胞被加热到43℃以上就会死亡，而正常细胞加热到48℃以上也不会死亡，因此选择性地将癌症细胞加热到43℃-48℃，将其杀死是一种没有副作用治疗癌症的有效方法，这种方法叫做温热疗法。加热有微波、超声波、红外线、热水等方法，但这些方法都只能体外加热，很难对人体深处的肿瘤进行有效加热，加热范围、程度等也难控制，很难实用于临床治疗。

目前，人们研究预先将铁磁性材料植入肿瘤部位，再在外界施加外界交变磁场，在交变磁场的作用下，铁磁性材料中的磁畴排列方向也会随着磁场的方向交替变化。在旋转变化的过程中，磁畴相互碰撞磨擦产生热量，通过这种磁滞生热加热肿瘤部位，使其温度达到43℃-48℃，清除癌细胞，而正常细胞却不受伤害，这种方法加热均匀、控温方便、安全可靠，可对深处肿瘤进行加热，但存在治疗癌细胞效率低，消除不彻底等缺陷。治疗肿瘤还有一种方法，是将抗癌药物直接植入到肿瘤部位，使药物直接作用于肿瘤细胞。

无论是摩擦生热治疗方法还是药物植入治疗方法，首要条件是将治疗药物或磁性材料聚集到身体中任何一个需要治疗的位置，现有技术中，采用注射法将药物或磁性材料直接注射到肿瘤处，但是这种方法是有创的，并且肿瘤内部压力大，注射的药物或磁性材料容易漏出。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于三维磁场的磁性纳米粒子聚集方法，以解决如何在体内实现药物或磁性材料聚集的问题。

本发明提供的基于三维磁场的磁性纳米粒子聚集方法，利用三维磁场驱动磁性纳米粒子沿x轴方向、y轴方向、z轴方向运动，完成磁性纳米粒子的聚集；其中，

利用三维磁场驱动磁性纳米粒子在x轴方向运动的过程，包括：

在x轴方向施加x轴向定时保持恒定取向磁场，对磁性纳米粒子进行磁化，磁性纳米粒子被磁化形成磁极并翻转匹配x轴向定时保持恒定取向磁场；

在磁性纳米粒子成功匹配x轴向定时保持恒定取向磁场后，在x轴方向施加与磁性纳米粒子的磁极方向相反的x轴向脉冲磁场，推动磁性纳米粒子沿x轴方向运动；

利用三维磁场驱动磁性纳米粒子在y轴方向运动的过程，包括：

在y轴方向施加y轴向定时保持恒定取向磁场，磁性纳米粒子翻转匹配y轴向定时保持恒定取向磁场；

在磁性纳米粒子成功匹配y轴向定时保持恒定取向磁场后，在y轴方向施加与磁性纳米粒子的磁极方向相反的y轴向脉冲磁场，推动磁性纳米粒子沿y轴方向运动；

利用三维磁场驱动磁性纳米粒子在z轴方向运动的过程，包括：

在z轴方向施加z轴向定时保持恒定取向磁场，被磁化的磁性纳米粒子翻转匹配z轴向定时保持恒定取向磁场；

在磁性纳米粒子成功匹配z轴向定时保持恒定取向磁场后，在z轴方向施加与磁性纳米粒子的磁极方向相反的z轴向脉冲磁场，推动磁性纳米粒子沿z轴方向运动。

与现有技术相比，本发明提供的基于三维磁场的磁性纳米粒子聚集方法，利用三维定时保持恒定取向磁场与脉冲磁场相结合，实现对磁性纳米粒子在体内的聚集及深度定位。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的磁性纳米粒子在第一种x轴向定时保持恒定取向磁场中的状态示意图；

图2为根据本发明实施例的磁性纳米粒子在第二种x轴向定时保持恒定取向磁场中的状态示意图；

图3为根据本发明实施例的磁性纳米粒子在x轴向脉冲磁场中的状态示意图；

图4为根据本发明实施例的磁性纳米粒子在第一种y轴向定时保持恒定取向磁场中的状态示意图；

图5为根据本发明实施例的磁性纳米粒子在第二种y轴向脉冲磁场中的状态示意图；

图6为根据本发明实施例的磁性纳米粒子在y轴向脉冲磁场中的状态示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于三维磁场的磁性纳米粒子聚集方法，利用三维磁场驱动磁性纳米粒子在三维磁场内沿x轴方向、y轴方向、z轴方向运动，完成磁性纳米粒子的聚集，把聚集在一起的磁性纳米粒子的位置作为目标地点，达到该目标地点的路径可以不同，但最终到达的位置是相同的，即目标地点，也就是说，本发明不一定非按照x轴方向→y轴方向→z轴方向的固定顺序驱动磁性纳米粒子移动，x轴方向→y轴方向→z轴方向这种顺序只是到达目标地点的一条路径，而到达目标地点的其它路径如下：

x轴方向→z轴方向→y轴方向；

y轴方向→x轴方向→z轴方向；

y轴方向→z轴方向→x轴方向；

z轴方向→x轴方向→y轴方向；

z轴方向→y轴方向→x轴方向。

需要说明的是，磁性纳米粒子既处于三维磁场内又处于人体内，通过三维磁场驱动磁性纳米粒子运动，达到磁性纳米粒子在体内聚集的目的，在磁性纳米粒子内装载有治疗药物，磁性纳米粒子作为治疗药物的载体，起到运送治疗药物的作用，本发明的目的是如何在体内实现治疗药物的靶向聚集，以代替现有的注射方式，因此，本发明并不是一种对人体疾病的治疗方法。

利用三维磁场驱动磁性纳米粒子在x轴方向运动的过程，包括：

步骤s11：在x轴方向施加x轴向定时保持恒定取向磁场，对磁性纳米粒子进行磁化，磁性纳米粒子被磁化形成磁极并翻转匹配x轴向定时保持恒定取向磁场。

在x轴方向施加的x轴向定时保持恒定取向磁场的作用在于，在磁化磁性纳米粒子的同时，防止磁性纳米粒子朝某个磁场方向移动，磁性纳米粒子被磁化后形成n极和s极，并与x轴向定时保持恒定取向磁场相匹配。

产生x轴向定时保持恒定取向磁场的方法有两种，下面分别对两种方法进行详细说明。

第一种方法：

如图1所示，x轴向定时保持恒定取向磁场由两个独立的间隔设置的多层卷绕的极化线圈产生，两个极化线圈的卷绕匝数相同，磁性纳米粒子位于两个极化线圈之间，极化线圈相当于螺线管，两个极化线圈充入大小相同的电流后产生两个磁场，两个磁场的方向相同、磁场强度相同，从而形成x轴向定时保持恒定取向磁场。在对两个极化线圈充入相同大小的电流后，根据安培定则，图1中极化线圈1的左端为s极、右端为n极，极化线圈2的左端为s极、右端为n极，磁性纳米粒子3(图1中示例性的示出了一个)位于左侧极化线圈的n极与右侧极化线圈的s极之间，在磁性纳米粒子3被磁化后产生n极和s极，随后磁性纳米粒子3与x轴向定时保持恒定取向磁场进行匹配，磁性纳米粒子3的s极朝向极化线圈1的n极，磁性纳米粒子3的n极朝向极化线圈2的s极，由于磁性纳米粒子3的n极受到极化线圈1的s极的吸引力，磁性纳米粒子3的n极受到极化线圈2的s极的吸引力，因此，磁性纳米粒子不会朝向极化线圈1或极化线圈2移动。

第一种方法中两个极化线圈的独立是指两个极化线圈不连接，各自充入大小相等、方向相同的电流。两个极化线圈产生的磁场方向根据充电电流的方向确定，极化线圈的哪一端均可以为n极或s极，只要保证产生两个同向的磁场即可。

第二种方法：

如图2所示，x轴向定时保持恒定取向磁场由两个间隔设置且连接在一起的极化线圈产生，极化线圈多层卷绕而成，两个极化线圈的卷绕匝数相同。由于两个极化线圈相连，因此，两个线圈一同充电，且充入的电流大小相同，相较于第一种方法便于控制。将两个极化线圈看作一个长极化线圈，磁性纳米粒子3位于长极化线圈的内部，在对两个极化线圈充入电流后，图2中左侧的极化线圈1作为长极化线圈的s极，右侧的极化线圈2作为长极化线圈的n极，形成x轴向定时保持恒定取向磁场，则磁化后的磁性纳米粒子3产生n极和s极，并与长极化线圈的磁极方向匹配，最终，磁性纳米粒子3的s级朝向长极化线圈的s极，磁性纳米粒子3的n级朝向长极化线圈的n极。

步骤s12：在磁性纳米粒子成功匹配x轴向定时保持恒定取向磁场后，在x轴方向施加与磁性纳米粒子的磁极方向相反的x轴向脉冲磁场，推动磁性纳米粒子沿x轴方向运动。

由于定时保持恒定取向磁场无法驱动磁性纳米粒子运动，因此，需要在x轴方向施加一个与磁性纳米颗粒磁极反向的脉冲磁场，以驱动磁性纳米粒子移动。

脉冲磁场由脉冲线圈充电产生，由于脉冲磁场是一个渐变磁场，当脉冲线圈充电时，以确保靠近脉冲线圈的磁性纳米粒子受到更大的磁力，有更大的位移，促使磁性纳米粒子团聚。

如图3所示，脉冲线圈4位于磁性纳米粒子3的左侧，当脉冲线圈4充电后，脉冲线圈4的左端为n极、右端为s极，由于磁性纳米粒子3的s极靠近脉冲线圈4的s极，磁性纳米粒子3会受到脉冲线圈4的排斥力沿着x轴向右移动。

当脉冲线圈4位于磁性纳米粒子3的右侧时，在脉冲线圈4充电后，磁性纳米粒子3会受到脉冲线圈4的排斥力沿着x轴向左移动。

需要说明的是，在磁性纳米粒子3受到脉冲线圈4的排斥力沿着x轴方向移动的同时会匹配脉冲磁场，即磁性纳米粒子3在远离脉冲线圈4的同时开始旋转，以匹配脉冲线圈4产生的脉冲磁场的方向，一旦磁性纳米粒子3与脉冲磁场的方向相匹配，磁性纳米粒子3将不再远离脉冲线圈4，而开始被脉冲线圈4吸引。因此，在磁性纳米粒子3最终反转被脉冲线圈4吸引之前，存在一个脉冲磁场的最大持续时间，该时间不得大于磁性纳米粒子3的翻转持续时间，依据理论计算，磁性纳米粒子3在磁场中的响应时间与粒子的形状、磁性能以及磁场大小有着密切关系，大体范围介于500μs和100ms之间。

利用三维磁场驱动磁性纳米粒子在y轴方向运动的过程，包括：

步骤s21：在y轴方向施加y轴向定时保持恒定取向磁场，被磁化的磁性纳米粒子翻转匹配y轴向定时保持恒定取向磁场。

在y轴方向施加y轴向定时保持恒定取向磁场的方法包括两种，其中，

第一种方法：y轴向定时保持恒定取向磁场由间隔设置在y轴方向的两个独立的极化线圈充电产生，磁性纳米粒子位于两个极化线圈之间，且该磁性纳米粒子为磁化后的磁性纳米粒子，y轴向脉冲磁场能够使被磁化的磁性纳米粒子沿着y轴方向运动。

由于磁性纳米粒子在沿x轴方向移动之前已被磁化，因此，无需对该磁性纳米粒子再次磁化，该磁性纳米粒子只需翻转匹配y轴向定时保持恒定取向磁场即可。

y轴方向的两个极化线圈的卷绕匝数相同，且充入的电流大小也相同，当y轴方向的两个极化线圈充电时，在y轴方向产生两个强度相同、方向相同的磁场，从而形成y轴向定时保持恒定取向磁场，处于y轴向定时保持恒定取向磁场的磁性纳米粒子会旋转匹配该y轴向定时保持恒定取向磁场。

如图4所示，在y轴方向的两个独立的极化线圈充电后，极化线圈1`的上端为s极、下端为n极，极化线圈2`的上端为s极、下端为n极，x轴方向的磁性纳米粒子3`逆时针旋转匹配y轴向定时保持恒定取向磁场，旋转后的磁性纳米粒子3`的s极朝向极化线圈2`的n极，旋转后的磁性纳米粒子3`的n极朝向极化线圈1`的s极。

由于两个极化线圈产生的磁场的强度相同，因此，磁性纳米粒子3`在旋转的过程中不会产生位移，即不会朝向极化线圈1`或极化线圈2`移动。

第二种方法：如图5所示，y轴向定时保持恒定取向磁场由两个间隔设置且连接在一起的极化线圈产生，极化线圈多层卷绕而成，两个极化线圈的卷绕匝数相同。由于两个极化线圈相连，因此，两个线圈一同充电，且充入的电流大小相同，可将两个极化线圈看作一个长极化线圈，磁性纳米粒子3`位于长极化线圈的内部，在对两个极化线圈充入电流后，图5中上方的极化线圈2`作为长极化线圈的s极，下方的极化线圈1`作为长极化线圈的n极，形成y轴向定时保持恒定取向磁场，则磁化后的磁性纳米粒子3产生n极和s极，并与长极化线圈的磁极方向匹配，最终，磁性纳米粒子3`的s级朝向长极化线圈的s极，磁性纳米粒子3的n级朝向长极化线圈的n极。

步骤s22：在磁性纳米粒子成功匹配y轴向定时保持恒定取向磁场后，在y轴方向施加与磁性纳米粒子的磁极方向相反的y轴向脉冲磁场，推动磁性纳米粒子沿y轴方向运动。

由于定时保持恒定取向磁场无法驱动磁性纳米粒子运动，因此，需要在y轴方向施加一个与旋转后的磁性纳米颗粒磁极反向的脉冲磁场，以驱动磁性纳米粒子沿y轴方向移动。

脉冲磁场由脉冲线圈充电产生，由于脉冲磁场是一个渐变磁场，当脉冲线圈充电时，以确保靠近脉冲线圈的磁性纳米粒子受到更大的磁力，有更大的位移，促使磁性纳米粒子团聚。

如图6所示，脉冲线圈4`位于磁性纳米粒子3`的上方，当脉冲线圈4`充电后，脉冲线圈4`的下端为s极、上端为n极，由于磁性纳米粒子3`的s极靠近脉冲线圈4`的s极，磁性纳米粒子3`会受到脉冲线圈4`的排斥力沿着y轴向下移动。

当脉冲线圈4`位于磁性纳米粒子3`的下方时，在脉冲线圈4`充电后，磁性纳米粒子3`会受到脉冲线圈4`的排斥力沿着y轴向上移动。

利用三维磁场驱动磁性纳米粒子在z轴方向运动的过程，包括：

步骤s31：在z轴方向施加z轴向定时保持恒定取向磁场，磁性纳米粒子翻转匹配z轴向定时保持恒定取向磁场。

请参照上述y轴向定时保持恒定取向磁场的描述，z轴向定时保持恒定取向磁场同理可得。

步骤s32：在磁性纳米粒子成功匹配z轴向定时保持恒定取向磁场后，撤销z轴向定时保持恒定取向磁场，并在z轴方向施加与磁性纳米粒子的磁极方向相反的z轴向脉冲磁场，推动磁性纳米粒子沿z轴方向运动。

请参照上述y轴向脉冲磁场的描述，z轴向脉冲磁场同理可得。

本发明在x轴方向、y轴方向和z轴方向分别设置两个极化线圈，六个极化线圈从上下、左右、前后六个方向将磁性纳米颗粒包围在中间，六个极化线圈所包围形成的空间为三维磁场空间，通过精确控制x、y、z轴极化磁场、脉冲磁场的方向及施加次序，经一定时间循环处理，实现在三维空间内磁性纳米粒子的聚集。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。