磁學(xué)與磁性材料在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用PPT課件

1、Catalogue磁性材料的簡要介紹1磁性材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 2磁共振成像對比劑磁共振成像對比劑 2.1磁導(dǎo)向給藥磁導(dǎo)向給藥 2.2磁熱療磁熱療2.3磁性生物材料的展望3第1頁/共25頁一.磁性材料的簡要介紹磁性材料的簡要介紹一切物質(zhì)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，并廣泛的應(yīng)用于電工、電子和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，成為當(dāng)代社會(huì)不可缺少的關(guān)鍵材料。實(shí)驗(yàn)表明，任何物質(zhì)在外磁場中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。指南針的鼻祖指南針的鼻祖- -司南司南第2頁/共25頁根據(jù)物質(zhì)的根據(jù)物質(zhì)的磁化率磁化率，可以把物質(zhì)的磁性分為五類：，可以把物質(zhì)的磁性分為五類：1、抗磁性、

2、抗磁性，為甚小的負(fù)數(shù)（大約在為甚小的負(fù)數(shù)（大約在-10-6量級）量級），在磁，在磁場中受微弱的斥力，如金、銀場中受微弱的斥力，如金、銀 。2、順磁性、順磁性，為正數(shù)（大約在為正數(shù)（大約在10-310-6量級）在磁場中量級）在磁場中受微弱的引力，如鉑、鈀、奧氏體不銹鋼。受微弱的引力，如鉑、鈀、奧氏體不銹鋼。3、鐵磁性、鐵磁性，為很大的正數(shù)，為很大的正數(shù)，在較弱磁場作用下可以產(chǎn)在較弱磁場作用下可以產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，如鐵、鈷、鎳。生很大的磁化強(qiáng)度，如鐵、鈷、鎳。4、亞鐵磁性、亞鐵磁性，處于鐵磁體與順磁體之間，即通常所說處于鐵磁體與順磁體之間，即通常所說的磁鐵礦、鐵氧體等。的磁鐵礦、鐵氧體等。 5、

3、反鐵磁、反鐵磁性性， 為小正數(shù)，高于某一溫度時(shí)其行為與順為小正數(shù)，高于某一溫度時(shí)其行為與順磁體相似，低于某一溫度磁化率與磁場的取向有關(guān)。磁體相似，低于某一溫度磁化率與磁場的取向有關(guān)。第3頁/共25頁磁化來源：磁化來源： 鐵磁鐵磁材料在無外加磁場時(shí)，由于近鄰原材料在無外加磁場時(shí)，由于近鄰原子間電子的交換作用使原子磁矩長程有序排子間電子的交換作用使原子磁矩長程有序排列，稱為列，稱為自發(fā)磁化自發(fā)磁化。我們把自發(fā)磁化相同的。我們把自發(fā)磁化相同的區(qū)域稱為區(qū)域稱為。 鐵磁材料內(nèi)部鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列的磁疇排列，因，因此對外不顯示磁性。此對外不顯示磁性。 鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性

4、，是因?yàn)樵谒鼈兊膬?nèi)部具有一性，是因?yàn)樵谒鼈兊膬?nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。磁疇是怎么磁疇是怎么形成的？形成的？ 磁疇因受外磁疇因受外磁場作用而順著外磁場作用而順著外磁場的方向發(fā)生歸磁場的方向發(fā)生歸順性重新排列，在順性重新排列，在內(nèi)部形成一個(gè)很強(qiáng)內(nèi)部形成一個(gè)很強(qiáng)的的。第4頁/共25頁磁性表征：磁性表征：1、磁化曲線、磁化曲線2、磁滯回線磁化曲線是表示物質(zhì)中的磁場強(qiáng)度H與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁化強(qiáng)度M之間的關(guān)系。第5頁/共25頁 磁滯回線表示磁場強(qiáng)磁滯回線表示磁場強(qiáng)度周期性變化時(shí)，磁性物度周期性變化時(shí)，磁性物質(zhì)磁滯現(xiàn)象的閉合磁化曲質(zhì)磁滯現(xiàn)象的閉合磁化曲線。它表明了強(qiáng)磁性物質(zhì)線。它表

5、明了強(qiáng)磁性物質(zhì)反復(fù)磁化過程中磁化強(qiáng)度反復(fù)磁化過程中磁化強(qiáng)度M或磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場與磁場強(qiáng)度強(qiáng)度H之間的關(guān)系之間的關(guān)系。H表示磁場強(qiáng)度表示磁場強(qiáng)度M表示磁化強(qiáng)度表示磁化強(qiáng)度磁性表征：磁性表征：2、磁滯回線、磁滯回線矯頑力剩余磁化強(qiáng)度第6頁/共25頁二.磁性材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 （一）磁共振成像對比劑（二）磁導(dǎo)向給藥（三）磁熱療第7頁/共25頁（一）磁共振成像對比劑（一）磁共振成像對比劑1.磁共振成像技術(shù) 原理：利用生物體內(nèi)不同組織在外加磁場下產(chǎn)生不同的磁共振信號來成像的,磁共振信號的強(qiáng)弱取決于組織內(nèi)水分子中質(zhì)子的弛豫時(shí)間。 用途：由于可以用來對生物體內(nèi)臟器官和軟組織進(jìn)行無損的快速

6、檢測，已成為診斷軟組織病變尤其是檢測腫瘤最為有效的臨床診斷方法之一。第8頁/共25頁 （一一）磁共振成像對比劑）磁共振成像對比劑磁共振成像對比劑磁共振成像對比劑磁性納米粒子中未成對電子自旋產(chǎn)生的局部磁場能夠改變水分子質(zhì)子的弛豫時(shí)間,增大臨近區(qū)域的磁共振信號強(qiáng)度,提高影像的對比度2.磁共振成像對比劑研究熱點(diǎn)研究熱點(diǎn)目前,利用磁性納米顆粒追蹤病毒、細(xì)胞在生物體內(nèi)的活動(dòng)是研究熱點(diǎn)之一。第9頁/共25頁 （一一）磁共振成像對比劑）磁共振成像對比劑3.磁共振成像對比劑的發(fā)展史1976年1987年90年后期1946年Block使用順磁性物質(zhì)Fe(NO)3縮短質(zhì)子的弛豫時(shí)間順磁性物質(zhì)作為用于動(dòng)物試驗(yàn)并逐漸用

7、于臨床GD-DTPA（二乙烯三胺五乙酸釓）經(jīng)美國FDA批準(zhǔn)使用MR特異性對比劑如肝（鐵劑）、胰腺（錳劑）、淋巴結(jié)和血池等組織結(jié)構(gòu)等特異性對比劑相繼問世第10頁/共25頁 （一一）磁共振成像對比劑）磁共振成像對比劑1順磁性對比劑：由順磁性金屬元素組成，如釓，錳等2超順磁性對比劑：界于順磁和鐵磁間的磁性微粒。磁性和磁化速度均高于順磁性3鐵磁性對比劑:由鐵磁性物質(zhì)組成，比如大鐵粒子 4.常用的磁共振成像對比劑分類第11頁/共25頁 磁性顆粒外部包裹著特有病毒的抗體，注射入人體進(jìn)行檢測，一旦人體內(nèi)存在這種病毒，他們將與磁性顆粒上的抗體結(jié)合形成大的顆粒團(tuán)，然后通過磁共振成像就能發(fā)現(xiàn)病毒的位置。在核磁共振

8、成像（MRI）中的應(yīng)用5.磁共振成像對比劑的應(yīng)用第12頁/共25頁 （二二）磁導(dǎo)向給藥）磁導(dǎo)向給藥1.磁導(dǎo)磁導(dǎo)向給藥：把藥物選向給藥：把藥物選擇性地送達(dá)特定的生理部擇性地送達(dá)特定的生理部位、器官、組織或細(xì)胞中位、器官、組織或細(xì)胞中并在該靶部位處發(fā)揮藥物并在該靶部位處發(fā)揮藥物治療作用。治療作用。2.原理：作為藥物載體原理：作為藥物載體,磁性磁性載藥微球被注射到體內(nèi)，外載藥微球被注射到體內(nèi)，外加強(qiáng)磁場，使其向病變區(qū)移加強(qiáng)磁場，使其向病變區(qū)移動(dòng)，然后藥物受特定方式控動(dòng)，然后藥物受特定方式控制定位緩慢釋放，集中部位制定位緩慢釋放，集中部位發(fā)揮作用發(fā)揮作用第13頁/共25頁3.磁導(dǎo)向給藥-生物導(dǎo)向 生物

9、導(dǎo)向-將特定的抗體結(jié)合在磁性載體表面，通過與腫瘤細(xì)胞表面的抗原性識別器發(fā)生特異性結(jié)合，使藥物準(zhǔn)確運(yùn)送到腫瘤細(xì)胞中。第14頁/共25頁 物理導(dǎo)向物理導(dǎo)向利用外加磁場，使磁性藥物載體在病變部位富集，減小正常利用外加磁場，使磁性藥物載體在病變部位富集，減小正常組織的藥物暴露，降低毒副作用，提高藥物的療效。組織的藥物暴露，降低毒副作用，提高藥物的療效。3.磁導(dǎo)向給藥-物理導(dǎo)向第15頁/共25頁 （二二）磁導(dǎo)向給藥）磁導(dǎo)向給藥(1) (1) 將將藥物隨著載體被吸附到靶區(qū)周圍藥物隨著載體被吸附到靶區(qū)周圍, 使靶區(qū)使靶區(qū)很很快快達(dá)到所需濃度達(dá)到所需濃度, 在其它部位分布量相應(yīng)減少在其它部位分布量相應(yīng)減少,

10、因因此可以降低此可以降低給藥劑量給藥劑量; (2) (2) 藥物極大部分在局部作用藥物極大部分在局部作用, 相對減少相對減少了藥物了藥物對對人體正常組織的副作用人體正常組織的副作用, 特別是特別是降低對降低對肝、肝、脾、脾、腎腎等造血和排泄系統(tǒng)的損害等造血和排泄系統(tǒng)的損害; (3) (3) 加速產(chǎn)生藥效加速產(chǎn)生藥效, , 提高療效。提高療效。4.磁性微球給藥載體的特點(diǎn)磁性微球給藥載體的特點(diǎn): 第16頁/共25頁 （二二）磁導(dǎo)向給藥）磁導(dǎo)向給藥多功能多響多功能多響應(yīng)應(yīng)1:熒光量子點(diǎn)的熒光成像和識別功能2能進(jìn)行特異性反應(yīng)的酶和藥劑3磁性顆粒的靶向功能4藥物控釋5.現(xiàn)狀與展望與單一的釋藥體系相比,多

11、功能釋藥體系將多種特性結(jié)合于一體,實(shí)現(xiàn)了多功能多響應(yīng)的整合。目前研究較多的功能主要有:第17頁/共25頁 （三）磁熱療（三）磁熱療腫瘤嚴(yán)重威脅人類的健康，然而傳統(tǒng)的治療方法（例如，手術(shù)切除、放射線療法及化學(xué)療法等）都有各自的局限性。例如，放射療法既殺死腫瘤細(xì)胞，又殺死正常細(xì)胞，所以不能常用。而磁熱療既殺死腫瘤細(xì)胞，但又不損害正常細(xì)胞，并且毒性小，成為科學(xué)家一直苦苦追求的目標(biāo)，使得磁熱療越來越應(yīng)用于腫瘤治療，并取得顯著的成效。磁磁熱療熱療的的產(chǎn)產(chǎn)生背景生背景1 1磁熱療：在外加交變磁場中使到達(dá)人體病變區(qū)的納米磁性粒子產(chǎn)生大量的熱從而殺死腫瘤細(xì)胞的治療。第18頁/共25頁 （三）磁熱療（三）磁熱療

12、2.2.磁磁熱熱的的產(chǎn)熱產(chǎn)熱率率 將磁場能轉(zhuǎn)換成熱能主要取決于磁場和磁性粒子的性質(zhì)， 典型特征量是產(chǎn)熱率，即單位質(zhì)量將其他能量轉(zhuǎn)換成熱能的量。磁性材料的產(chǎn)熱率越高，其熱效應(yīng)越強(qiáng)。1.1.磁磁熱熱的的產(chǎn)產(chǎn)生生磁性材料在外加交變磁場中，由于渦流損耗、磁滯、磁矢量旋轉(zhuǎn)和顆粒本身的物理旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的熱量稱之為磁熱2.磁熱法的基本原理第19頁/共25頁 （三三）磁熱療）磁熱療 20世紀(jì)初1957年20世紀(jì)60年代腫瘤治療手段以手術(shù)、放療、化療為主，熱療的發(fā)展幾乎停滯不前Gilchrist等首次提出磁靶向熱療的概念，推動(dòng)了腫瘤熱療向著精確定位的方向發(fā)展使用磁性微球在交變磁場中產(chǎn)熱治療腫瘤，但微米磁性材料吸熱

13、能力差、所需功率大及測溫技術(shù)的限制，使其臨床應(yīng)用受阻3.磁熱療與磁熱材料的發(fā)展20世紀(jì)80年代納米技術(shù)的迅猛發(fā)展給磁熱法技術(shù)帶來了新的曙光。第20頁/共25頁 （三三）磁熱療）磁熱療4.納米磁性材料的優(yōu)越性（4）易于表面修飾，靶向性增加，使治療精準(zhǔn)有效（1）能量吸收率高能量吸收率高于體材料，升溫效果于體材料，升溫效果顯著顯著（3）在腫瘤細(xì)胞內(nèi)在腫瘤細(xì)胞內(nèi)分散均勻，可隨分散均勻，可隨細(xì)細(xì)胞分裂進(jìn)入子細(xì)胞胞分裂進(jìn)入子細(xì)胞，同樣有殺傷作用，同樣有殺傷作用（2）制成磁流體，制成磁流體，均勻加熱腫瘤細(xì)胞，均勻加熱腫瘤細(xì)胞，熱效率高，無冷點(diǎn)熱效率高，無冷點(diǎn)第21頁/共25頁 利用磁場導(dǎo)向作用,將磁性納米粒子經(jīng)由腫瘤的供血?jiǎng)用}引到腫瘤部位，然后在腫瘤周圍施加交變磁場，磁性納米粒子受到交變磁場的作用而產(chǎn)熱，從而起