基于临床磁热疗应用的低毒磁性纳米结构的研究

Hyperthermia has great potential for targeted killing of tumors. For a safe application of hyperthermia to patients, it was experimentally found that the production of frequency and the magnetic field amplitude should be smaller than a value defined as clinical limits for safe exposure in alternative magnetic field(AMF). Developing magnetic nanostructures showing high heating ability within safe limit will be a challenging issue. This project aims to develop low toxic ZnxFe3-xO4(ZFO) nanostructures for efficient hyperthermia treatment. Effects of composition and morphology on heating capacity for superparamagnetic(SPM) ZFO nanostructures will be studied. Heating capacity dependence of saturated magnetization, magnetic anisotropy energy, and frequency and amplitude of AMF will be investigated. These studies help to find out the physical origin of heating generation for SPM ZFO nanostructures exposure in AMF. We try to explore the heating maximum of ZFO nanostructures within safe limit. Based on researches above, this project will provide theoretical guidance to design the magnetic nanostructures with high heating ability. At last, we will develop novel SPM nanostructures used for clinical hyperthermia treatment of tumors.

磁热疗在肿瘤的靶向性治疗中显示出越来越重要的应用前景。为了降低电磁辐射对人体的危害，磁热疗时交变磁场的频率和场强不能过高，临床上提出了磁热疗的生物安全极限。发展在生物安全极限之内具有高产热能力的磁性纳米结构是目前磁热疗领域极具挑战性的课题。本项目旨在发展可用于临床肿瘤磁热疗的低毒超顺磁ZnxFe3-xO4纳米结构。通过研究不同成分和形貌的超顺磁ZnxFe3-xO4磁性纳米结构在交变磁场中的产热能力，建立超顺磁ZnxFe3-xO4纳米结构的产热效率对饱和磁矩、磁各向异性能及交变磁场的频率和磁场强度的依赖关系，揭示影响超顺磁ZnxFe3-xO4磁性纳米结构在交变磁场中产热行为的物理根源，探索超顺磁ZnxFe3-xO4纳米结构在生物安全极限之内的产热极限。通过以上研究，本项目将为制备单分散、在生物安全极限之下具有高产热效率的磁性纳米颗粒提供理论指导，发展可用于临床肿瘤磁热疗的新型低毒纳米材料。

本项目研究了ZnxFe3-xO4磁性纳米颗粒在交变磁场下的产热行为及物理机制，并通过细胞实验和动物在体实验，分别对细菌和肿瘤细胞进行了有效地杀灭和抑制。首先，通过调整ZnxFe3-xO4纳米颗粒的饱和磁化强度和磁各向异性，建立超顺磁Zn0.3Fe2.7O4纳米颗粒在交变磁场中的产热效率对饱和磁矩、磁各向异性能及交变磁场的频率和磁场强度的依赖关系，探索了影响超顺磁纳米颗粒在交变磁场中产热行为的物理机制，发展了在生物安全极限之下具有高产热效率的Zn0.3Fe2.7O4纳米颗粒，该颗粒具有优良的生物相容性。细胞实验表明，该纳米颗粒在细胞内仍表现出较高的加热效率，能够对肿瘤细胞进行有效的杀灭。在此基础上，将Zn0.3Fe2.7O4纳米颗粒固化在医用骨水泥中，当纳米颗粒沿着一个方向排成链状时，磁性纳米骨水泥在超低场下（4 kA/m, 430 kHz）表现出优异的加热性能，动物在体实验表明，该磁性骨水泥可以有效地升高新西兰白兔胫骨腔内的温度，并对新西兰白兔胫骨内骨肿瘤的生长起到有效的抑制作用。通过本项目的研究，我们揭示了磁性纳米颗粒在交变磁场中产热的物理根源，发展了在生物安全极限之内具有高产热效率的低毒超顺磁Zn0.3Fe2.7O4纳米颗粒和各向异性磁性骨水泥，它们有望应用于临床肿瘤磁热疗。