中国工程论文网
代写工程论文
当前位置:工程论文网 > 电力工程论文 > 磁感应热疗纳米颗粒释热特性的分子动力学研究

磁感应热疗纳米颗粒释热特性的分子动力学研究

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文使用分子动力学方法,从影响磁纳米颗粒释热的外在因素和内在因素两方面研究磁热疗中纳米颗粒的释热特性。其中外在因素主要是外加磁场强度。
第 1 章 绪论
 
1.1研究背景
肿瘤热疗一直是医学上的难题,当细胞温度达到315K(42℃)时,细胞内的一些组织和酶蛋白功能就会发生改变,从而影响细胞的生长和分化并诱导细胞凋亡;当细胞温度上升为319K(46℃)时,只需持续作用1小时左右,细胞的组织及功能就会发生不可逆损伤;当温度继续上升到323K(50℃)时,仅要几分钟就会造成细胞的不可逆损伤甚至凋亡[1]。磁感应热疗中使用的外加磁场一般选用范围在0kA/m~15kA/m的低、中频交变磁场,也有学者认为只要外加磁场的磁场频率和磁场强度的乘积不超过4.85x108A·m-1·s-1,所选用的磁场就属于安全范围内[4]。二十世纪60年代以后,开始有学者提出利用磁感应热疗靶向治疗肿瘤的方法, 到90年代后由于磁性纳米颗粒的出现,通过对磁性纳米颗粒进行表面处理,使其具有生物相容性后靶向导入到肿瘤区域,可极大地提高肿瘤热疗中定位的精确性,从而成为肿瘤治疗的新研究热点。磁感应热疗是近年来发展的一种新型肿瘤治疗技术,利用铁磁性物质能吸收外加交变磁场的能量,然后释放给周边组织使癌细胞升温的物理特性,将具有铁磁性的纳米颗粒作为热介质靶向引入到肿瘤组织中,通过在外部施加一个可控的磁场,让磁纳米颗粒吸收外加磁场能量而使局部快速形成与肿瘤适形的高温区,达到杀灭肿瘤细胞或诱导其凋亡的作用,同时因其靶向性可以精确定位,避免了周边正常组织的升温,甚至引发主动免疫形成[5]。Jordan等人发现肿瘤细胞吸取磁纳米颗粒的能力远远大于正常细胞,通常为正常细胞吸取纳米颗粒数量的8倍~100倍[2,3]。与传统加温治疗方法相比,传统的超声、微波、射频等局部加温方法具有以下缺陷:超声加温方法中超声不能通过含气空腔,且存在骨反射、骨吸收的现象;微波加温方法能达到的深度较浅,治疗时生物体需防护,同时该方法会造成烧伤,且边缘治疗困难;射频容性加温方法存在边界模糊、脂肪过热严重等缺陷。传统局部深部加温方法由于具有脂肪层过热、灼伤等副作用,没有特异性和适形性(正常与肿瘤组织无差别)及达不到较高的治疗温度等多种局限性,目前多作为辅助治疗方法。
.........
 
1.2国内外研究进展
近年来,关于磁纳米颗粒的研究内容越来越丰富。因利用磁纳米颗粒制成的磁流体同时具有磁性与流动性,在力学、磁学、光学和声学等方面都表现出许多独特的性能,使磁纳米颗粒的应用领域不断扩展,逐渐涵盖电子、医疗、机械、化工、航天航空等多个领域[7]。由磁纳米颗粒制成的磁流体主要具有以下几个特点[8-11]:1.力学特性:磁流体在受到重力、压力等力的作用时,仍然能够保持胶体溶液的状态;将磁纳米颗粒置于磁流体中时,磁纳米颗粒会稳定地依附在磁流体中的适当位置处;当外界环境使磁流体部分遇冷或受热时,磁流体会因磁热循环而在没有机械力的作用下自行运动;当受到外加旋转磁场的磁场力时,磁流体中就会产生涡流,这是普通流体所没有的性质。2.磁学特性:磁流体中的磁纳米颗粒都是超顺磁性的,因此没有磁滞回线、本征矫顽力及剩磁;因磁流体含有磁性粒子,当给它一个外加磁场时,会被磁化,且满足修正的伯努利方程,从而赋予磁流体另一个其他流体所没有的性质——磁性质,当外加磁场强度增大时,磁流体的表观密度也会随之而增大;因此,若磁流体中有非磁性物质存在时,可通过调节外加磁场强度的大小来控制磁流体的表观密度的大小,从而可以自由控制非磁性物体在磁流体中的位置。
..........
 
第2章 分子动力学模拟方法
 
分子动力学方法是一种动态的研究方法,该方法主要理论基础是牛顿力学定律,在此理论基础上模拟分子体系的运动过程,模拟过程中分子体系的各个不同状态构成整个系统,通过在该系统中随机抽取样本,借此计算体系的构型积分,并以此计算结果为基础进一步求取体系的热力学量和其他热力学信息等宏观性质[41]。本章主要介绍模拟的基本原理与技术,包括模拟基本原理、运动方程求解方法、边界条件与初值、势函数、系综理论、常用的模拟软件介绍几个内容。
 
2.1分子动力学模拟基本原理
在模拟计算中首先随机给定粒子的初始位置和初始速度,之后体系每个时刻的位置ri(t)和速度vi(t)就可通过积分算法求解这个方程组获得,从而就可以获得体系中所有粒子的运动轨迹,宏观上即体系的时间演化,进而获得体系所有的性质随时间的变化情况。计算过程如图2.1所示:
.......
 
2.2边界条件
在分子模拟中,适当的边界条件可以降低尺寸效应的影响,有效控制模拟的计算量[41]。若模拟中要研究的问题受周围环境的影响程度较轻,可选用较为简单的非周期性边界条件;若所研究体系受周围溶质或溶液的影响不能被忽略时,模拟边界条件应选用周期性边界条件,本文模拟中选用的是周期性边界条件。在用周期性边界条件模拟时,把模拟体系当作是被一个特定形状的空间所包围起来,形成一个具有空间形状的区域,通过将这个基本区域沿着空间的所有方向进行周期性的复制扩展,从而得到一个无限的周期排列体系。如图2.3所示,若模拟体系是二维的,则体系的每个单元周围都有8个临接的完全相同的映射单元;如果模拟体系是三维的,则每个单元周围都有26个映射单元。通过将基本单元中所含的粒子进行坐标的平移,即将坐标的某个分量加上或减去基本单元的边长,就可获得每个映射单元中所含粒子的坐标通。当基本单元里的某个粒子离开该单元后,就会进入与该单元相邻的某个映射单元,此时该映射单元中的映射粒子就会从基本单元的另一侧进入基本单元。因此,利用周期性边界条件,就能做到仅通过模拟一个分子数并不太多的模拟体系,而获得像由基本单元无限延伸出的大系统的模拟效果。
.........
 
第3章 物理模型及分子模拟模型建立.......21
3.1磁纳米颗粒在磁场中的物理模型......21
3.1.1范德华力....21
3.1.2磁性粒子间磁力.......23
3.1.3磁性粒子受到外磁场作用力...........24
3.1.4磁性粒子其他受力...........25
3.2模拟模型的建立..........26
3.2.1 Fe纳米颗粒材料的模拟模型建立....26
3.2.2 Fe3O4纳米颗粒材料的模拟模型建立.......34
第4章 模拟结果及分析.....36
4.1 Fe纳米颗粒的模拟结果.......36
4.2 Fe3O4纳米颗粒的模拟结果..........39
4.3 Fe材料与Fe3O4材料纳米颗粒的模拟结果分析........41
第5章 结论与展望.....47
5.1结论......47
5.2展望......48
 
第4章 模拟结果及分析
 
4.1 Fe纳米颗粒的模拟结果
首先对Fe纳米颗粒体积浓度为2%,纳米颗粒形状为球形,外加磁场强度为10kA/m,纳米颗粒粒径尺寸分别为1nm、2nm、3nm的3种模拟进行分析,图中纵坐标为体系温度,横坐标分别为模拟的步数及模拟时间。由图4.1可以看出Fe纳米颗粒直径为1nm时体系达到平衡温度花的时间最短,且达到的平衡温度最高,温度最后稳定在325.5K左右,其次是纳米颗粒直径为2nm的情况,达到的平衡温度最后稳定在324.7K左右,最后是纳米颗粒直径为3nm的情况,达到的平衡温度最后稳定在323.9 K左右,三种模拟条件下最后达到的平衡温度的最大差值为1.6K,差值非常小。其次对Fe纳米颗粒粒径尺寸为2nm,纳米颗粒形状为球形,外加磁场强度为10kA/m,纳米颗粒体积浓度分别为:1%、2%、3%的3种模拟进行分析,模拟结果如图4.2:由图4.2可以看出纳米颗粒浓度为3%时达到平衡温度花的时间最短,且达到的平衡温度最高,温度最后稳定在328.6K左右,其次是纳米颗粒浓度为2%的情况,达到的平衡温度最后稳定在325.2K左右,最后是纳米颗粒浓度为1%的情况,达到的平衡温度最后稳定在321.6K左右,三种模拟条件下最后达到的平衡温度的最大差值为7K,相较于不同纳米颗粒尺寸的结果,不同纳米颗粒浓度下达到的平衡温度差距较大。
.........
 
结论
 
前人的实验研究工作表明:将磁性纳米颗粒做为热介质导入生物体内,通过外加磁场的作用可以有效提高磁感应热疗的热疗温度,解决热疗温度低的问题。但实验方法都是从宏观角度对热疗效果进行研究,因此,本文从分子的角度出发,运用分子动力学模拟方法,研究磁感应热疗中不同的因素对磁性纳米颗粒释热的影响,主要做了以下几个方面的工作:1.系统地介绍了分子动力学模拟方法,包括模拟基本原理,计算方法,模拟步骤及模拟工具。2.通过分析磁感应热疗中纳米颗粒在外加磁场条件下受到的各种作用力,得到模拟的物理模型。3.根据所得物理模型建立了分子模拟模型,从外加磁场强度、磁性纳米颗粒粒径、浓度、形状几个方面进行模拟,得到不同条件下模拟体系的能量及温度变化情况,分析不同因素对纳米颗粒释热的影响,并得到以下结论:(1).在磁感应热疗中加入磁纳米颗粒后,会大大提升热疗温度。在磁场环境下,磁纳米颗粒具有较快的初始加热速度,并很快就达到平衡温度,大大减少了总的治疗时间,提高效率。体系所能达到的平衡温度随着磁纳米颗粒的浓度和外加磁场强度的增加而增加,且在模拟过程中,磁纳米颗粒会因为外加磁场的作用而产生类似链状的排布,且方向都是朝着外加磁场强度的方向,有利于增强磁纳米颗粒吸收磁场能量的能力;(2)在相同的浓度和尺寸情况下,不同形状的磁纳米颗粒所含有的高能原子数不同,体系中磁纳米颗粒比表面积越大,体系所含有的高能原子数越多,因此可通过改变磁纳米颗粒的形状,增加磁纳米颗粒的比表面积来提高磁纳米颗粒的释热能力,从而提高治疗体系温度。
..........
参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
栏目列表
点击提交代写需求
点击提交代写需求
点击提交代写需求
推荐内容