1、磁学与磁性材料磁学与磁性材料在生物医学领域的应用在生物医学领域的应用 材物材物31 王程王程 文二帅文二帅 姚康康姚康康1Catalogue磁性材料的简要介绍1磁性材料的生物医学应用 2磁共振成像对比剂磁共振成像对比剂 2.1磁导向给药磁导向给药 2.2磁热疗磁热疗2.3磁性生物材料的展望32一.磁性材料的简要介绍磁性材料的简要介绍一切物质均有磁性，磁性材料是指磁化率比非磁性材料大104-1012倍的材料，并广泛的应用于电工、电子和计算机等领域，成为当代社会不可缺少的关键材料。实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。指南针的鼻祖指南针的鼻祖- -司南司南3根据物
2、质的根据物质的磁化率磁化率，可以把物质的磁性分为五类：，可以把物质的磁性分为五类：1、抗磁性、抗磁性，为甚小的负数（大约在为甚小的负数（大约在-10-6量级）量级），在磁，在磁场中受微弱的斥力，如金、银场中受微弱的斥力，如金、银 。2、顺磁性、顺磁性，为正数（大约在为正数（大约在10-310-6量级）在磁场中量级）在磁场中受微弱的引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢。受微弱的引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢。3、铁磁性、铁磁性，为很大的正数，为很大的正数，在较弱磁场作用下可以产在较弱磁场作用下可以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。4、亚铁磁性、亚铁磁性，处于铁磁体与顺磁体之
3、间，即通常所说处于铁磁体与顺磁体之间，即通常所说的磁铁矿、铁氧体等。的磁铁矿、铁氧体等。 5、反铁磁、反铁磁性性， 为小正数，高于某一温度时其行为与顺为小正数，高于某一温度时其行为与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关。磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关。4磁化来源：磁化来源： 铁磁铁磁材料在无外加磁场时，由于近邻原材料在无外加磁场时，由于近邻原子间电子的交换作用使原子磁矩长程有序排子间电子的交换作用使原子磁矩长程有序排列，称为列，称为自发磁化自发磁化。我们把自发磁化相同的。我们把自发磁化相同的区域称为区域称为。 铁磁材料内部铁磁材料内部的磁畴排列的磁畴排列，因，因此对外不
4、显示磁性。此对外不显示磁性。 铁磁材料之所以具有高导磁铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构种特殊的物质结构。磁畴是怎么磁畴是怎么形成的？形成的？ 磁畴因受外磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归磁场的方向发生归顺性重新排列，在顺性重新排列，在内部形成一个很强内部形成一个很强的的。5磁性表征：磁性表征：1、磁化曲线、磁化曲线2、磁滞回线磁化曲线是表示物质中的磁场强度H与所感应的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系。6 磁滞回线表示磁场强磁滞回线表示磁场强度周期性变化时，磁性物度周期性变化时，磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲
5、质磁滞现象的闭合磁化曲线。它表明了强磁性物质线。它表明了强磁性物质反复磁化过程中磁化强度反复磁化过程中磁化强度M或磁感应强度或磁感应强度B与磁场与磁场强度强度H之间的关系之间的关系。H表示磁场强度表示磁场强度M表示磁化强度表示磁化强度磁性表征：磁性表征：2、磁滞回线、磁滞回线矫顽力剩余磁化强度7二.磁性材料在生物医学领域的应用 （一）磁共振成像对比剂（二）磁导向给药（三）磁热疗8（一）磁共振成像对比剂（一）磁共振成像对比剂1.磁共振成像技术 原理：利用生物体内不同组织在外加磁场下产生不同的磁共振信号来成像的,磁共振信号的强弱取决于组织内水分子中质子的弛豫时间。 用途：由于可以用来对生物体内脏器
6、官和软组织进行无损的快速检测，已成为诊断软组织病变尤其是检测肿瘤最为有效的临床诊断方法之一。9 （一一）磁共振成像对比剂）磁共振成像对比剂磁共振成像对比剂磁共振成像对比剂磁性纳米粒子中未成对电子自旋产生的局部磁场能够改变水分子质子的弛豫时间,增大临近区域的磁共振信号强度,提高影像的对比度2.磁共振成像对比剂研究热点研究热点目前,利用磁性纳米颗粒追踪病毒、细胞在生物体内的活动是研究热点之一。10 （一一）磁共振成像对比剂）磁共振成像对比剂3.磁共振成像对比剂的发展史1976年1987年90年后期1946年Block使用顺磁性物质Fe(NO)3缩短质子的弛豫时间顺磁性物质作为用于动物试验并逐渐用于
7、临床GD-DTPA（二乙烯三胺五乙酸钆）经美国FDA批准使用MR特异性对比剂如肝（铁剂）、胰腺（锰剂）、淋巴结和血池等组织结构等特异性对比剂相继问世11 （一一）磁共振成像对比剂）磁共振成像对比剂1顺磁性对比剂：由顺磁性金属元素组成，如钆，锰等2超顺磁性对比剂：界于顺磁和铁磁间的磁性微粒。磁性和磁化速度均高于顺磁性3铁磁性对比剂:由铁磁性物质组成，比如大铁粒子 4.常用的磁共振成像对比剂分类12 磁性颗粒外部包裹着特有病毒的抗体，注射入人体进行检测，一旦人体内存在这种病毒，他们将与磁性颗粒上的抗体结合形成大的颗粒团，然后通过磁共振成像就能发现病毒的位置。在核磁共振成像（在核磁共振成像（MRI）
8、中的应用）中的应用5.磁共振成像对比剂的磁共振成像对比剂的应用应用13 （二二）磁导向给药）磁导向给药1.磁导磁导向给药：把药物选向给药：把药物选择性地送达特定的生理部择性地送达特定的生理部位、器官、组织或细胞中位、器官、组织或细胞中并在该靶部位处发挥药物并在该靶部位处发挥药物治疗作用。治疗作用。2.原理：作为药物载体原理：作为药物载体,磁性磁性载药微球被注射到体内，外载药微球被注射到体内，外加强磁场，使其向病变区移加强磁场，使其向病变区移动，然后药物受特定方式控动，然后药物受特定方式控制定位缓慢释放，集中部位制定位缓慢释放，集中部位发挥作用发挥作用143.磁导向给药-生物导向 生物导向-将特
9、定的抗体结合在磁性载体表面，通过与肿瘤细胞表面的抗原性识别器发生特异性结合，使药物准确运送到肿瘤细胞中。15 物理导向物理导向利用外加磁场，使磁性药物载体在病变部位富集，减小正常利用外加磁场，使磁性药物载体在病变部位富集，减小正常组织的药物暴露，降低毒副作用，提高药物的疗效。组织的药物暴露，降低毒副作用，提高药物的疗效。3.磁导向给药-物理导向16 （二二）磁导向给药）磁导向给药(1) (1) 将将药物随着载体被吸附到靶区周围药物随着载体被吸附到靶区周围, 使靶区使靶区很很快快达到所需浓度达到所需浓度, 在其它部位分布量相应减少在其它部位分布量相应减少, 因因此可以降低此可以降低给药剂量给药剂
10、量; (2) (2) 药物极大部分在局部作用药物极大部分在局部作用, 相对减少相对减少了药物了药物对对人体正常组织的副作用人体正常组织的副作用, 特别是特别是降低对降低对肝、肝、脾、脾、肾肾等造血和排泄系统的损害等造血和排泄系统的损害; (3) (3) 加速产生药效加速产生药效, , 提高疗效。提高疗效。4.磁性微球给药载体的特点磁性微球给药载体的特点: 17 （二二）磁导向给药）磁导向给药多功能多响多功能多响应应1:荧光量子点的荧光成像和识别功能2能进行特异性反应的酶和药剂3磁性颗粒的靶向功能4药物控释5.现状与展望与单一的释药体系相比,多功能释药体系将多种特性结合于一体,实现了多功能多响应
11、的整合。目前研究较多的功能主要有:18 （三）磁热疗（三）磁热疗肿瘤严重威胁人类的健康，然而传统的治疗方法（例如，手术切除、放射线疗法及化学疗法等）都有各自的局限性。例如，放射疗法既杀死肿瘤细胞，又杀死正常细胞，所以不能常用。而磁热疗既杀死肿瘤细胞，但又不损害正常细胞，并且毒性小，成为科学家一直苦苦追求的目标，使得磁热疗越来越应用于肿瘤治疗，并取得显著的成效。磁热疗的产生背景磁热疗的产生背景1 1磁热疗：在外加交变磁场中使到达人体病变区的纳米磁性粒子产生大量的热从而杀死肿瘤细胞的治疗。19 （三）磁热疗（三）磁热疗2.2.磁热的产热率磁热的产热率 将磁场能转换成热能主要取决于磁场和磁性粒子的性
12、质， 典型特征量是产热率，即单位质量将其他能量转换成热能的量。磁性材料的产热率越高，其热效应越强。1.1.磁热的产生磁热的产生磁性材料在外加交变磁场中，由于涡流损耗、磁滞、磁矢量旋转和颗粒本身的物理旋转而产生的热量称之为磁热2.磁热法的基本原理20 （三三）磁热疗）磁热疗 20世纪初1957年20世纪60年代肿瘤治疗手段以手术、放疗、化疗为主，热疗的发展几乎停滞不前Gilchrist等首次提出磁靶向热疗的概念，推动了肿瘤热疗向着精确定位的方向发展使用磁性微球在交变磁场中产热治疗肿瘤，但微米磁性材料吸热能力差、所需功率大及测温技术的限制，使其临床应用受阻3.磁热疗与磁热材料的发展20世纪80年代纳米技术的迅猛发展给磁热法技术带来了新的曙光。21 （三三）磁热疗）磁热疗4.纳米磁性材料的优越性（4）易于表面修饰，靶向性增加，使治疗精准有效（1）能量吸收率高能量吸收率高于体材料，升温效果于体材料，升温效果显著显著（3）在肿瘤细胞内在肿瘤细胞内分散均匀，可随分散均匀，可随细细胞分裂进入子细胞胞分裂进入子细胞，同样有杀伤作用，同样有杀伤作用（2）制成磁流体，制成磁流体，均匀加热肿瘤细胞，均匀加热肿瘤细胞，热效率高，无冷点热效率高，无冷点22 利用磁场导向作用,将磁性纳米粒子经由肿瘤的供血动脉引到肿瘤部位，然后在肿瘤
