影響磁性氧化鐵納米顆粒磁熱療加熱效率的因素

姬文嬋,胡 平,汪小鈺,楊 帆,韓嘉彧,程 權(quán),邢海瑞,左燁蓋,李世磊,王快社

(1.西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.西安建筑科技大學(xué)功能材料加工國家地方聯(lián)合工程研究中心,陜西 西安 710055)

1 前 言

磁性氧化鐵納米粒子(MIONS)是第一代已先進(jìn)臨床使用的納米材料之一。氧化鐵有以下幾種不同的形式:鐵(Ⅱ)氧化物(FeO)、鐵(Ⅲ)氧化物(Fe2O3)和鐵(II,III)氧化物(Fe3Oa)。其中,Fe2O3還可形成不同 的 晶 態(tài) (α-Fe2O3、β-Fe2O3、γ-Fe2O3和ε-Fe2O3)[1-2]。研究表明,納米Fe3O4和γ-Fe2O3顆粒具有顆粒體積小、比表面積大、磁性強(qiáng)等特征,因此能表現(xiàn)出在磁熱療過程中的靶向性。此外,在交變磁場作用下可耗散產(chǎn)熱,實(shí)現(xiàn)定向移動(dòng)。通過將MIONs的超順磁性、生物相容性[3]、高飽和磁化強(qiáng)度等多功能納米磁性與各種形式的應(yīng)用磁場相結(jié)合,開發(fā)了廣泛的生物醫(yī)學(xué)技術(shù)[4-8],在核磁共振成像[9]、藥物載體[10]、腫瘤治療、乳腺癌治療等[11-14]治療手段方面很受歡迎。磁性納米顆粒的性能與其結(jié)構(gòu)、平均尺寸和磁各向異性密切相關(guān)[15],因此,制備具有提高磁熱療產(chǎn)熱效率的磁性納米材料,使其能夠在癌細(xì)胞治療中發(fā)揮最大優(yōu)勢是目前研究的努力方向。

在醫(yī)療技術(shù)發(fā)達(dá)的當(dāng)今,癌癥依然是人類健康最大的敵人之一,因此,在研究癌癥的治療手段上,科研工作者投入了大量的精力[16]。磁熱療是一種非侵入性腫瘤治療的方法,涉及多種學(xué)科的研究領(lǐng)域,需要物理、化學(xué)、生物、材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)等多方面參與[17]。與傳統(tǒng)的熱療相比,基于磁性納米顆粒的磁熱療有許多優(yōu)點(diǎn):(1)癌細(xì)胞吸收磁性納米顆粒,從而通過直接向其傳遞治療熱量來提高熱療的有效性;(2)磁熱療過程中通常使用的交變磁場頻率對(duì)人體沒有傷害,只在含有磁性納米顆粒的癌細(xì)胞上產(chǎn)熱;(3)磁性納米顆粒的粒徑形貌等特征可控,能夠更好地協(xié)助磁熱療[18]。在腫瘤治療過程中,磁熱療通過磁性納米粒子定向輸送到目標(biāo)癌細(xì)胞上,在高頻磁場(生物安全極限H·F＜4.85×109A/m)中,設(shè)定特定的振幅和頻率,由不同的加熱機(jī)制(磁滯損耗、弛豫損耗、渦流等)將磁性納米顆粒自身的磁能轉(zhuǎn)化為熱能,達(dá)到局部溫度升高到治療溫度(41～46 ℃)的效果,從而使磁性納米粒子對(duì)癌細(xì)胞具有較高的殺傷率,同時(shí)對(duì)周圍正常細(xì)胞組織損傷較小[19-20]。為減少磁性納米顆粒毒性作用的可能性,現(xiàn)有研究強(qiáng)烈建議在進(jìn)行高溫治療時(shí)減少磁性納米顆粒的使用量,因此,磁性納米顆粒的加熱效率成為磁性納米顆粒研究最重要的方面[21]。產(chǎn)熱效率是單位時(shí)間、單位質(zhì)量或單位體積的磁粉將磁場能量轉(zhuǎn)化的熱量,利用比吸收率(SAR)衡量磁場產(chǎn)生的熱量,通過不同的加熱機(jī)制表征不同類型磁性納米粒子產(chǎn)生熱量的能力[22-24]。

早在1957年Cilchrist等[25]首次提出氧化鐵納米顆粒用于熱療法開始,科研人員就進(jìn)行了大量的研究,但文獻(xiàn)沒有對(duì)可用于磁熱療的磁性氧化鐵納米顆粒的尺寸、形狀、磁流體濃度以及交變磁場參數(shù)對(duì)于加熱效率的影響矛盾點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性歸納。因此,本文通過對(duì)SAR 與這幾個(gè)影響因素的關(guān)系進(jìn)行分析,歸納出提高加熱效率的方法,并對(duì)提高磁熱療產(chǎn)熱效率的參數(shù)和影響因素要求做出總結(jié),為相關(guān)研究者提供參考。

2 磁熱療的基本原理

磁性流體高溫涉及能量轉(zhuǎn)換,在外部交變磁場的存在下通過磁能損失由磁性納米顆粒散發(fā)熱。使用一定頻率的交變磁場(AMF)時(shí),在一定的時(shí)間間隔內(nèi)測量和記錄鐵流體的溫升強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出隨時(shí)間變化的溫升曲線,并根據(jù)式(1)計(jì)算SAR。SAR由納米粒子的質(zhì)量歸一化,通過一定頻率和強(qiáng)度振幅的交變磁場施加[26-27]。

式中:C是整個(gè)溶液的熱容量,ΔT/Δt是溫度-時(shí)間曲線的斜率,MNP是溶質(zhì)的質(zhì)量,ρ是整個(gè)溶質(zhì)的密度。

一般來說,交變磁場中涉及的加熱機(jī)制可分為以下四種類型:一是渦流損失,二是磁滯損耗,三是Neel弛豫[28],四是Brown弛豫。

(1)渦流損失:根據(jù)焦耳損耗,交變磁場會(huì)產(chǎn)生渦流。因?yàn)闇u流的存在取決于材料對(duì)電流加熱的抵抗能力,而大部分納米顆粒具有較高的電阻率,從而導(dǎo)致極低的渦流損耗。此外,渦流損耗主要表現(xiàn)在多疇磁性納米顆粒中,因此,應(yīng)用于磁熱療的小磁性粒納米粒子的熱損失與其它加熱損失相比可忽略不計(jì)。

(2)磁滯損耗:鐵磁材料都有磁滯回線,因此當(dāng)磁滯回線存在時(shí),它們的磁化強(qiáng)度(M-H)曲線在一秒鐘內(nèi)重復(fù)幾次,在效率下降的同時(shí)也會(huì)升高溫度。溫升是由于取向不斷變化的疇的摩擦熱能引起的。

(3)Neel弛豫:在高溫治療中,納米顆粒普遍以鐵氧體的形式應(yīng)用于磁熱療領(lǐng)域。將鐵磁或鐵磁粒子的尺寸減小到臨界水平導(dǎo)致單疇的出現(xiàn)和疇壁的缺失,使熱源不再是由疇位移引起,而是由納米粒子內(nèi)部磁矩自旋導(dǎo)致吸收的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能而引起。

(4)Brown弛豫:將交變磁場中吸收的電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能的Brown弛豫機(jī)制是由粒子自身的物理旋轉(zhuǎn)引起的。由于顆粒與周圍流體之間的摩擦,粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。

對(duì)于Neel松弛和Brown松弛機(jī)制,定義了一個(gè)特征時(shí)間如下[29]:

式 中:η是 載 體 介 質(zhì) 的 粘 度,當(dāng)T=300 k時(shí),η為0.85×10-3Pa·s;kB為玻爾玻耳常數(shù),k=1.38×10-23J·K-1;V為顆粒體積;K為各向異性能,K=1.35 或104J·m-3;τ0是10-9～10-11s之間的值的預(yù)指數(shù)因子。

結(jié)合Neel和Brown弛豫的貢獻(xiàn),磁性納米粒子體系的有效弛豫時(shí)間為:

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)可得,在磁場頻率較高時(shí),對(duì)于粒徑較小的納米流體,Neel弛豫更為明顯,但是,粒子尺寸較大時(shí),更傾向于表現(xiàn)為布朗弛豫。在實(shí)踐中,這兩種機(jī)制可能同時(shí)發(fā)生,而相對(duì)貢獻(xiàn)則取決于每一種機(jī)制發(fā)生的時(shí)間尺度,較短的松弛時(shí)間決定了哪一種松弛機(jī)制占主導(dǎo)地位。

3 氧化鐵納米顆粒的性能對(duì)加熱效率的影響

磁性納米顆粒的性能與其結(jié)構(gòu)、平均尺寸和磁各向異性密切相關(guān)。為改進(jìn)和優(yōu)化氧化鐵納米粒子的SAR,可通過操縱納米粒子的組合形狀和表面各向異性,并調(diào)整它們的大小來實(shí)現(xiàn)。本節(jié)將考慮與醫(yī)療熱效率有關(guān)的因素,參考大多數(shù)對(duì)氧化鐵納米顆粒的合成、磁性能以及表面修飾等的研究,總結(jié)氧化鐵納米顆粒的性能對(duì)加熱效率的影響。同時(shí),考察了MNPs的特性及交變磁場的特性對(duì)加熱效率的影響,詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 文獻(xiàn)報(bào)道的不同納米顆粒的磁性能及加熱效率Table 1 1 Magnetic properties and heating efficiency of different nanoparticles reported in the literature

3.1 氧化鐵納米粒子的粒徑和形狀對(duì)熱療性質(zhì)的影響

為了最終實(shí)現(xiàn)氧化鐵納米顆粒介導(dǎo)的高溫治療作為一種可行的癌癥治療方法,提高磁性納米顆粒的SAR 是當(dāng)前備受關(guān)注的研究重點(diǎn)。調(diào)整納米粒子的磁各向異性是有效的方法,鐵磁粒子在交變磁場下的加熱主要?dú)w因于磁疇壁移動(dòng)引起的磁滯損耗,因此,近幾年的研究重點(diǎn)大都致力于實(shí)現(xiàn)最大化鐵磁粒子磁滯損耗,從而最大化其加熱效率這一目標(biāo)。納米粒子的磁各向異性取決于表面、形狀等多種因素,施加的交流電場的強(qiáng)度大于磁場的磁各向異性,就可提高納米粒子的各向異性場。因此,通過改變氧化鐵納米顆粒的尺寸、形狀或其表面形貌,就可調(diào)節(jié)磁各向異性并提高其加熱效率。

在傳統(tǒng)的研究中,小粒徑的超順磁性納米顆粒(SPIONs)具有固有的生物相容性,血液循環(huán)壽命長,凝聚趨勢低等優(yōu)點(diǎn),因此一直被認(rèn)為是治療磁療的高熱劑。然而,這些SPIONs具有相對(duì)較低的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力,會(huì)限制加熱效率的提高,導(dǎo)致較低的SAR。例如,Presa等[30]表明,尺寸范圍在6～14 nm的γ-Fe2O3納米粒子,隨著納米顆粒的尺寸從8 nm增加到11 nm,SAR 從10增加到42 W/g(磁場為7.5 KA/m,頻率為522 k Hz)增加了4 倍。結(jié)果顯示,SAR 對(duì)納米粒子的粒徑有一個(gè)近似立方依賴關(guān)系。Muller等[31]研究了4種不同類型的磁性氧化鐵納米顆粒在10～20 nm 范圍內(nèi),交流磁場頻率為210 k Hz,場幅在0～30 KA/m 范圍內(nèi)的加熱效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),與小顆粒(10.9、12.6 nm)相比,15.2 nm 和20.5 nm的顆粒具有更高的磁滯率。當(dāng)在≥15 k A/m的高場強(qiáng)下進(jìn)行熱療時(shí),較大的顆粒可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢。韓棟等[39]采用多醇熱解法制備了粒徑分別為8.7,12.6,15.3 nm 的3種超順磁顆粒,其水分散液在480 s內(nèi)溫度分別升高了25,27和35℃。顆粒粒徑越大,比能量吸收率SAR 越高,最高可達(dá)810 W/g。Tong等[35]測得的磁性納米氧化鐵顆粒(MION)的SAR 均隨納米晶體尺寸單調(diào)增加,并且最顯著的增加發(fā)生在11～33 nm 之間,SAR 值增加了約50倍。對(duì)于低于11 nm的MION,注入到腫瘤中沒有出現(xiàn)溫度升高,SAR 極低,最小為4.97 W/g。而晶體尺寸為19和40 nm 的MION 分別產(chǎn)生了2.5和10.1 ℃的溫度升高。在治療過程中,40 nm MIONs能夠達(dá)到(43.4±1.5)℃,所測得的SAR 最大為2560 W/g,這滿足了許多癌癥熱療法的溫度要求。

經(jīng)過大量的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)總結(jié),SAR 的單調(diào)增加這一結(jié)論與現(xiàn)有的研究產(chǎn)生了矛盾[44-45]。Boubeta等[46]發(fā)現(xiàn),尺寸和SAR 之間的關(guān)系取決于AMF場強(qiáng)。由于AMF場強(qiáng)僅探測到小的磁滯回線的損耗,在相同情況下粒徑為40 nm 的氧化鐵納米顆粒比粒徑為20nm的氧化鐵納米顆粒具有較小的SAR。這表明隨著AC場強(qiáng)的變化,SAR 隨尺寸的變化更加復(fù)雜。但并不是所有的磁性納米顆粒都遵循這一規(guī)律。Nemati等[45]已能夠根據(jù)納米顆粒的形狀來確定其最佳尺寸范圍,以使這些納米顆粒的加熱效率最大化。如圖1所示,納米球的SAR 在尺寸為26 nm 左右有一個(gè)小的升高,而尺寸≤13 nm 時(shí)可忽略不計(jì);但是隨著尺寸的增加,SAR 會(huì)大大增加,在52 nm 左右處達(dá)到最大值(取決于場強(qiáng)),在交流磁場為800 Oe時(shí)達(dá)到650 W/g的的最大SAR,這種演變與上述文獻(xiàn)中報(bào)道的其他磁性納米顆粒相似。但是對(duì)于納米立方體,SAR 的尺寸演變在30 nm 處突然增加,在800 Oe 時(shí)達(dá)到～800 W/g,然后隨著尺寸的增加而迅速衰減,42 nm時(shí)達(dá)到最小值。

圖1 SAR 與水和瓊脂中納米球和納米立方體的場強(qiáng)關(guān)系Fig.1 SAR vs field in water and in agar for the nanospheres and nanocubes[45]

Table 1 Continued

Table 1 Continued

綜上所述,SAR 隨尺寸演變的過程中,應(yīng)注意調(diào)整場強(qiáng)、形狀的變化,從而使得在最優(yōu)參數(shù)范圍內(nèi),SAR 隨著粒徑的增大而增大,達(dá)到相對(duì)理想的治療加熱效率。

對(duì)于表1中所示的納米顆粒,如果形狀偏離球形,則呈現(xiàn)出與球形對(duì)應(yīng)物相比增強(qiáng)的各向異性能,在相似尺寸下具有較高的SAR。為提高納米顆粒的加熱效率,現(xiàn)有文獻(xiàn)研究的納米顆粒的形狀有諸如球形、立方、棒狀、橢球、花狀、盤狀等多種。例如,Usov等[47]表明,具有立方各向異性或組合各向異性的磁鐵礦納米粒子,在較低的磁場強(qiáng)度下,可以獲得足夠高的SAR,約為250～350 W/g,遠(yuǎn)高于相同體積的氧化鐵納米球中報(bào)道的SAR。Das等[41]首次在交流磁場為800 Oe下對(duì)Fe3O4納米棒進(jìn)行加熱效應(yīng)的測量,實(shí)驗(yàn)表明,其SAR 為862 W/g,優(yōu)于體積相似的球形和立方納米粒子(SAR 為～140、～314 W/g),而且Fe3O4納米棒具有更高的飽和磁化強(qiáng)度(86 emu/g),遠(yuǎn)高于球形納米粒子(54 emu/g)。他們還通過改變納米棒的縱橫比,研究了表面各向異性對(duì)SAR 的影響,將納米棒的縱橫比從6增加到11,SAR 提高了1.5倍,當(dāng)納米棒與磁場平行時(shí),SAR 提高了30%,這一發(fā)現(xiàn)還證實(shí)了Fe3O4納米棒是磁熱療非常有希望的候選材料。

形狀的變形一般發(fā)生在較大尺寸的納米顆粒中,這就導(dǎo)致形狀各向異性增強(qiáng)的納米顆粒在治療過程中存在一定的困難。這些困難包括:(1)當(dāng)形狀各向異性較強(qiáng)時(shí),由于其較大的尺寸和較高的飽和磁化強(qiáng)度,膠體的穩(wěn)定性受到阻礙;(2)生物相容性降低?？梢酝ㄟ^表面涂層的方法來改善,既可以改變形狀也能控制粒徑,從而提高加熱效率。Raland等[48]表明他們合成的涂覆有各種濃度油酸(OA)的錳鐵氧體(Mn Fe2O4)納米粒子,隨著OA 濃度的增加,粒徑逐漸減小,Mn Fe2O4納米顆粒的形狀向準(zhǔn)立方轉(zhuǎn)變,并且其SAR 最高可達(dá)251 W/g。

3.2 磁性納米顆粒的濃度對(duì)磁熱療加熱效率的影響

納米顆粒的濃度會(huì)強(qiáng)烈影響磁性納米粒子的熱產(chǎn)生和SAR。粒子間偶極相互作用能量與1/r6 成正比,其中r為粒子間距離。因此,MNP 之間的偶極子相互作用隨著粒子間距減小而增加,而顆粒間距離隨顆粒濃度的增加而增大。偶極相互作用將影響磁性納米粒子的磁弛豫,從而影響其存在的熱效率。

盡管有許多有價(jià)值的關(guān)于SAR 濃度依賴性的實(shí)驗(yàn)報(bào)告[49],但大多數(shù)研究并未顯示出濃度非單調(diào)性的跡象,而且大多數(shù)研究并未對(duì)納米粒子濃度進(jìn)行足夠廣泛的采樣以觀察到優(yōu)化,但這并不代表納米顆粒的濃度與SAR 之間的關(guān)系不存在非單調(diào)性。因此,為探索納米粒子濃度在加熱過程中的作用,Evans等[50]研制了一種分散性良好的磁鐵礦納米粒子懸浮液,他們在外場頻率分別為86、123、281和460 k Hz,最大場強(qiáng)在13～24 k A/m之間,濃度限制在1.25～320 mg/m L的溶液中進(jìn)行測試,結(jié)果顯示納米粒子濃度與SAR 之間的關(guān)系為非單調(diào)性明顯,峰值基本保持在20～80 mg/m L。此外,數(shù)據(jù)表明,使SAR 最大化的濃度可能取決于頻率,因?yàn)椴煌妶鲱l率的濃度在振幅為13 k A/m 時(shí),較高的頻率傾向于較低的濃度。

為測試濃度對(duì)未受團(tuán)聚體影響的SAR,Lemal等[32]研究了顆粒形狀為球形、立方、橢球形的納米顆粒在不同濃度下的加熱行為。結(jié)果表明球形和立方納米顆粒顯示線性加熱斜率,而橢球形顯示的加熱斜率在濃度為50 mgFe/m L 時(shí)發(fā)生加熱斜率的變化。在給定的濃度范圍內(nèi),SAR 會(huì)隨著濃度的增加而顯著增加,并且在超出該范圍的上限時(shí),SAR 會(huì)逐漸降低。此行為背后的物理原因與偶極粒子間相互作用有關(guān),隨著納米顆粒濃度的增加而改變SAR。

在交變磁場的影響下,每個(gè)磁性納米顆粒由于松弛機(jī)制產(chǎn)生熱量,而熱源數(shù)量隨著濃度的增加而增加。尺寸較小的粒子間距離由于高濃度可能會(huì)導(dǎo)致磁偶極-偶極相互作用增加,并形成團(tuán)聚體,阻礙了松弛過程而降低了顆粒的加熱效率。因此,大多數(shù)研究表明,SAR 隨著濃度的增加而減小。

Kandasamy等[51]制備出Ta包覆的超順磁性顆粒,對(duì)不同濃度(0.5～8 mg/m L)鐵磁流體在水介質(zhì)中的加熱效應(yīng)進(jìn)行分析,得出頻率分別在166.4、475.3、522.2 k Hz,振幅在13.2、8.6、15.3和9.8 k A/m的條件下磁流體隨時(shí)間變化的溫升曲線。通過曲線得出結(jié)論,隨著鐵氧體濃度的增加,達(dá)到45 ℃治療溫度所需的時(shí)間急劇減少。

Linh等[52]合成了不同濃度的葡聚糖包覆Fe3O4納米粒子的磁性流體,測量了交變磁場下各種濃度磁流體的加熱曲線及SAR。未包覆濃度為1、2.5、5、9 mg/m L的磁流體對(duì)應(yīng)的SAR 分別為50.1、35、30和12 W/g,如圖2所示,隨著濃度的增加,SAR 呈減小趨勢。葡聚糖包覆磁流體的SAR 最高可達(dá)112.8 W/g,因此說明,當(dāng)粒子濃度增加時(shí),涂層能夠更好地防止粒子的空間分布對(duì)偶極子-偶極子相互作用的影響,幫助膠體粒子在流體中容易流動(dòng)。

圖2 非包覆(a)和葡聚糖包覆Fe3 O4 流體(b)的溫度隨NP濃度的變化曲線;流體中Fe3 O4 NPs濃度對(duì)初始升溫速率(c)和比損耗功率(d)的影響[52]Fig.2 Temperature of Fe3 O4 fluid(b)coated with uncoated(a)and dextran with NP concentration;Effect of Fe3 O4 NPs concentration in fluid on initial warming rate(c)and specific loss power(d)[52]

4 交變磁場的頻率和振幅對(duì)磁熱療產(chǎn)熱效率的影響

交變磁場的頻率和振幅的增減直接影響感應(yīng)加熱功率的大小。由于人體組織中渦流的非選擇性加熱效應(yīng),為保證病人得到安全的治療,必須限制其數(shù)值的大小[53]。在有限范圍內(nèi),SAR 一般隨頻率的增加而增大[54-55]。通過設(shè)定交變磁場下的頻率和振幅,達(dá)到較大的SAR 是提高治療加熱效率最容易控制的方法,優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)可以使磁性納米顆粒的加熱性能得到更大的發(fā)揮。

Lahiri等[56-57]制備的Fe3O4納米磁流體,在頻率為126 k Hz,極低場強(qiáng)分別為0.36、0.52、0.64、0.37和0.82 k A/m的情況下,樣品溫度均隨時(shí)間單調(diào)增加,SAR與外加磁場的振幅呈線性關(guān)系,SAR從5.3 W/g增長到11.1 W/g。在固定頻率為126 k Hz,5種不同磁場振幅57.3、51.4、45.0、36.7和26.0 KA/m 下得到溫升曲線,據(jù)觀察,固定頻率下溫度隨時(shí)間單調(diào)增加。SAR 是從紅外熱像在非絕熱條件下的初始溫升速率確定,在振幅為57.3 KA/m 得到SAR 最大值為(95.9±3.4)W/g。

Ranoo等[58]選用3種不同粒徑的Fe3O4納米顆粒O1,O2和O3(6.9 nm、9.6 nm、10.5 nm),飽和磁化強(qiáng)度幾乎相似,在固定頻率為126 k Hz,不同的振幅下(31.6、28.5、24.9、20.2和15.5 k Am-1)對(duì)其進(jìn)行加熱效率的實(shí)驗(yàn)測量,結(jié)果表明,在H 為31.6 k Am-1時(shí),O1,O2和O3的最高SAR 約為(190.90±5.97),(441.93±6.60)和(523.52±12.13)W/g,如圖3所示。

圖3 在5個(gè)不同幅度的射頻交變電磁場感應(yīng)加熱過程中,(a)O1,(b)O2和(c)O3的ΔT 作為函數(shù)時(shí)間的變化。在這些情況下,樣品濃度固定為4 wt%。(插圖)O1和O3的對(duì)應(yīng)絕熱重建的溫升曲線(d)O1,O2和O3的SAR 隨H2的變化。圖中還顯示了線性回歸曲線.O1,O2和O3的調(diào)整后R2 分別約為0.97、0.98和0.94,表明O1,O2和O3的準(zhǔn)確度較高.(插圖)對(duì)于O1,O2和O3,ΔT max隨H2 的線性變化[58]Fig.3 Variation ofΔT as a function time for(a)O1,(b)O2 and(c)O3,during RFAMF(Radiofrequency alternating magnetic field)induced heating under five different amplitudes.The sample concentration was kept fixed at 4wt%in these cases.(Insets)The corresponding adiabatically reconstructed temperature rise curves for O1,O2 and O3,respectively.(d)Variation of SAR as a function of H2 for O1,O2 and O3.The linear regression curves are also shown in the figure.The adjusted R2 were about 0.97,0.98 and 0.94 for O1,O2 and O3,respectively,indicating good accuracy of the linear fits.(Inset)Linear variation ofΔT max as a function of H 2 for O1,O2 and O3.The linear regression curves are also shown in the figure[58]

Shaterabadi等[43]研究了19 nm 的葡聚糖包覆磁鐵礦(Fe3O4)納米粒子在不同磁場頻率和強(qiáng)度的交變磁場中的加熱曲線。觀察到在不同頻率(108、170 k Hz)和場強(qiáng)(7、8.7、5.4 k A/m)下,平均粒徑為19 nm、濃度為20 mg/m L的MNPs的SAR 和飽和溫度(Ts)。結(jié)果表明,Ts和SAR 取決于磁場的頻率和強(qiáng)度。隨著頻率和場強(qiáng)的增大,SAR 呈增長趨勢,加熱曲線飽和到特定溫度所需時(shí)間不斷縮短。此外,對(duì)于平均粒徑為19 nm 的磁性納米顆粒,在磁場強(qiáng)度為7 k A/m,磁場頻率為170 k Hz,濃度為20 mg/m L時(shí),SAR 最大值為115.106 W/g。

Pon 等[38]設(shè) 計(jì) 了 不 同 尺 寸(4、8、20、45 和250 nm)的新型納米復(fù)合材料,測量其在頻率為400 k Hz和交變磁場強(qiáng)度分別為19.7、27.4 和52.5 k A/m下的加熱參數(shù)。尺寸為45 nm的納米復(fù)合材料獲得了最大的SAR 為5020 w/g(f=400 k Hz、H=32.5 k A/m),通過計(jì)算得出固有損耗功率(ILP)為12.21 n Hm2kg-1,這是目前合成納米復(fù)合材料的最高ILP值之一。

超順磁性氧化鐵納米顆粒的居里溫度與臨床磁性熱療所需的溫度相差甚遠(yuǎn)。Pimentel等[55]合成了平均直徑約為20.9 nm 的復(fù)合材料納米粒子,并對(duì)其在交流磁場下的SAR 進(jìn)行測量,得到交流磁場加熱(初始500 s)和納米粒子在不同場幅值(交流頻率為100 k Hz)下的零場冷卻的時(shí)間過程。通過熱療實(shí)驗(yàn)證實(shí),加熱過程在明顯低于居里溫度的阻塞溫度下停止。初始加熱速率通過提高施加的磁場,在高振幅下增加。結(jié)果表明,除了通常的Neel和Brown松弛,滯回現(xiàn)象在加熱機(jī)理中也起著重要的作用。

有關(guān)磁熱療研究的實(shí)驗(yàn)中,加熱特性可通過實(shí)驗(yàn)條件的變化來調(diào)整。當(dāng)固定頻率,固定初始溫度時(shí),樣品在振幅H=0 A/m 時(shí)的溫度穩(wěn)定性良好。一旦加入振幅,溫度立即升高,隨著交變磁場振幅的增加,動(dòng)態(tài)溫度升高,斜率d T/dt也變得更加顯著[59-60]。相同的是,通過振幅一定,只改變頻率的的方法原理也是如此。過高的磁場頻率雖能得到更高的SAR,但超過了熱療范圍,就會(huì)導(dǎo)致健康組織過熱。因此,改變頻率和振幅的目的是調(diào)整在最大生物限制內(nèi)交變磁場最適合磁熱療的參數(shù),從而使得SAR 隨著頻率和振幅的變化在磁熱療使用范圍內(nèi)達(dá)到最大。

5 結(jié) 論

通過對(duì)近年來磁性納米顆粒在磁熱療應(yīng)用中的產(chǎn)熱效率影響因素的討論,考慮了磁性納米顆粒的表面性質(zhì)和磁特性,以及磁場對(duì)比吸收率和溫升曲線的影響,這些因素對(duì)提高磁熱療過程中的產(chǎn)熱效率是非常重要的。就磁性納米材料在磁熱療產(chǎn)熱效率方面的影,今后的研究重點(diǎn)及主要參數(shù)要求總結(jié)如下:

1.由于加熱損失機(jī)制,磁性納米顆粒的形狀各向異性對(duì)SAR 和Th的影響很大,通過對(duì)近年來研究數(shù)據(jù)分析表明,從形狀各向異性這一幾何特征出發(fā),合成核-殼結(jié)構(gòu)、或者其他不同形狀且形貌良好更適用于人體治療的磁性納米顆粒有望能提高熱效率,是今后研究的重點(diǎn)。

2.粒徑的大小直接影響熱療過程中的弛豫效應(yīng),雖然粒徑小的磁性納米顆粒也有諸多優(yōu)點(diǎn),例如超順磁性顆粒的分散性好,能夠有效防止團(tuán)聚,但當(dāng)其粒徑＜5 nm 時(shí),這些對(duì)于磁熱療有良好作用的屬性也將無法正常顯示。

3.磁流體熱療過程中,對(duì)于磁性納米顆粒的最高加熱功率,存在最佳顆粒濃度,其中,要實(shí)現(xiàn)SAR 的最大化以及溫度控制在30 min內(nèi)升高到42～47 ℃,就必須考慮顆粒濃度,因此,粒子間相互作用在濃縮溶液中的作用是一個(gè)重要參數(shù)。此外還要考慮納米粒子在溶液中頻率的依賴性對(duì)熱療磁性能的影響。

4.磁場的頻率和強(qiáng)度對(duì)感應(yīng)加熱功率、磁性納米顆粒飽和時(shí)間和可接受治療范圍的穩(wěn)定性起決定性作用。從目前的研究來看,磁場對(duì)產(chǎn)熱效率的影響存在可控范圍。

因此,為提高氧化鐵納米顆粒的加熱效率,需從形狀、尺寸、濃度等多方面綜合考慮。由于這些因素之間互相影響互相制約,從而導(dǎo)致SAR 與影響因素的關(guān)系不存在完全的單調(diào)性。