消融肝肿瘤通过使用一种新型磁性纳米探针:磁特性和有限元分析

文摘

作者最近提出了一个新颖的系统对thermoablation-based nanoheating-that可能克服的局限性与之前报道的相关技术。本研究的目的是评估治疗系统的性能在肝组织的消融,最常见的伤口。纳米复合材料模型系统、磁赤铁矿nanoparticle-filled聚二甲硅氧烷,制备,及其磁性研究纳米粒子浓度的函数。磁性测量的基础上,一个3 d有限元法(FEM)模型被用来探索温度和热损伤的发展nonperfused组织灌注,充分利用交变磁场(AMF)参数是可接受的对人类使用。有限元模型是测试其有效性使用分析模型。饱和磁化强度增加到大约9%的纯价值磁赤铁矿纳米粒子体积分数的范围(。%)1至5%。病变大小被证明是极大地影响组织灌注和时间。有限元预测与结果显示良好的协议与7%以内的分析模型。探针用磁性纳米复合材料制作的可以用于实现合理的损伤大小在肝组织中使用人类安全AMF型参数。

1。介绍

肝细胞癌(HCC)是最常见的类型的肝癌,起源于肝细胞,肝细胞。它是全世界癌症死亡的第三大原因与欠发达国家发病率最高(1]。主要治疗治疗方案包括切除,肝移植或消融。切除仅限于小局部肿瘤患者和保存完好的肝功能2]。不可用捐助者的限制的适用性移植(2]。微创局部区域消融是最常用的治疗,由于其潜在的本地化处理和减少伤害周围的健康组织。因此,有必要对微创非手术技术可以克服挑战传统方法提高待遇。

常见的局部区域的治疗方法包括percutanous乙醇注入,冷冻消融术,激光消融,微波消融,high-focused超声波,射频消融术(RFA)。RFA是应用最广泛的技术由于其一般可用性和最近的技术进步;然而,等问题需要大电流高频增加病灶大小导致皮肤灼伤的风险增加,反过来限制损伤大小(3- - - - - -5]。RFA后的皮肤烧伤的发生率从-3.2%至0.1不等二度或三度皮肤烧伤和33%一级烧伤(6]。

纳米材料的独特的热生成功能利用,为癌症治疗开发智能和高效的系统。有前途的无机nanomaterials-metallic [7和磁8)——被证实,使局部和/或多通道治疗可能提高治疗效果。(9]这些纳米材料引入到聚合物基质形成纳米复合材料的发展提供了机会新的癌症治疗(生物医学设备10,11]。作者最近报告了一种新型纳米复合材料探究thermoablation癌细胞的12,13]。与远端热探针实质上是一个套管产生磁性纳米复合材料和近端绝缘轴。在活的有机体内预测了探针实现超热状况的可行性或烧蚀水平在术后乳房组织。

在本文中,我们提供了一个评估的治疗性能小说探针在肝肿瘤消融,这已被证明是最常见的伤口(2]。首先,我们准备样品模型的纳米复合材料,磁赤铁矿( )纳米颗粒(MNP)填充聚二甲基硅氧烷(PDMS),含有不同浓度的纳米颗粒和测量他们的饱和磁化强度。三维有限元法(FEM)模型被用来执行参数研究探讨nonperfused温度和热损伤的发展和完全灌注组织利用交变磁场(AMF)参数可接受的供人类使用。有限元模型是测试其有效性使用分析模型。结果的影响讨论了探测器对癌症治疗的应用。

2。材料和方法

2.1。材料

本研究中使用的材料包括磁赤铁矿( )纳米颗粒(高纯度99.5%,20海里,我们研究纳米材料公司,休斯顿,TX,美国)和PDMS (Sylgard 184硅酮弹性体工具包,道康宁公司,奥本,MI,美国)。这些材料被用作收到。

2.2。样品制备

三种类型的纳米复合材料,指定为MNP-1 MNP-2, MNP-5-with体积分数,ϕ1、2和5卷。% MNP的分别是准备。样品被准备,首先,将纳米粒子添加到PDMS弹性体基地和搅拌混合物用抹刀15分钟,以确保彻底均匀的纳米颗粒分布和减少集群。然后,PDMS基地的固化剂添加的重量比10:1,用铲子搅拌,产生一个均匀的混合物与适当的交联。完全删除,以确保气泡产生的混合物被置于玻璃烧杯连接到真空泵大约30分钟。结果MNP-PDMS纳米复合材料混合物倒进模具,在烤箱烤100°C 43分钟。

2.3。磁特性

使用超导量子磁测量进行了接口设备(鱿鱼)磁强计,mpm XL-5(美国圣地亚哥CA量子设计)。磁化曲线之间通过不同磁场0马·m⁻¹和0.4马·m⁻¹在温度为298 K。基于被安装在胶囊,而固体纳米复合材料被安装在饮用吸管。由于不同质量的样品,特定的磁化强度值被用于我们的分析。

2.4。电磁加热理论

当约束MNP暴露AMF,具体损失,一个(J·g⁻¹),在一个周期的AMF被定义为磁滞回线的面积。根据凯利et al。14),一个实验测量磁滞回线面积,一个,可以用 在哪里是一个无量纲参数,取决于MNP的取向轴对AMF很简单。一个值为0.30,之前报道(12),在我们所有的分析。(一个·米²·公斤⁻¹)是饱和磁化,(H·米⁻¹)是自由空间的渗透性。H(一个·米⁻¹)是AMF的振幅。

散热,P(W·米⁻³),是由以下方程: 在哪里是纳米复合材料的密度。

2.5。在活的有机体内预测

有限元法(FEM)模型,实现了Comsol多重物理量4.3软件包(美国伯灵顿马Comsol),被用来描述在活的有机体内的性能。

2.5.1。有限元建模

图1(一)显示了一个示意图,在我们的研究中使用的探针。调查是一个6厘米插管,远端2厘米活性纳米复合材料(MNP-PDMS纳米复合材料)提示和近端4厘米绝缘轴(PDMS)。其概念和经营方式之前已经报道过了。(12]。

在我们的研究中使用的几何模型,如图1。肝组织被建模为一个圆柱块6厘米的直径和高度和12厘米,分别。探测器放置在圆柱块这样的主动提示位于中心圆柱块。

组织内的温度分布是由人们bioheat方程(15]: 在哪里是密度,(J·公斤⁻¹·K⁻¹)是在恒压比热容,λ(W·米⁻¹·K⁻¹)是热导率。 , (年代⁻¹), ,和密度、组织灌注率、比热容、分别和温度的血液。组织状态系数。(W·米⁻³),代谢热,被忽视了。问是热的一代,对每个域的定义是不同的。组织和绝缘轴领域,它被设置为零。积极的提示(纳米复合材料),这是按照体积计算功率定义的方程(2)

方程的边界条件(3)规定的温度, ,所有外表面;和连续性, ,在所有的内部边界。温度37°C(正常的身体)作为模型的初始温度在所有领域。

预测热损伤的组织,完善使用阿仑尼乌斯方程。这是一个一阶热化学速率方程,使损伤与温度历史的决心。的损害,这被认为是由于本机分子通过激活状态的变换导致细胞死亡,是使用一个无量纲参数,量化 ,作为 在哪里(J·摩尔⁻¹)损伤过程的活化能,(年代⁻¹)是一个比例因子,R(J·摩尔⁻¹·K⁻¹)是气体常数。的值和一个得到从[16257.7 kJ·摩尔⁻¹和 ,分别。在这项研究中,= 1,对应于一个63%的细胞死亡的概率,选择表明取得足够的不可逆的损害。(17)在这一点上,据报道之前,组织灌注停止(18]。这对应于一个为零。因此,中间的值被计算为1 / exp ( )(18]。

不同领域的热特性仿真归纳在表格中使用1。纳米复合材料的有效热物理性质估计使用规则的混合物。实现的细节在附件中做了总结。

2.5.2。参数的调查

一般来说,和被认为是可用的范围f和HAMF的温热疗法。(23]然而,考虑到病人的安全和健康,至关重要的是确保因素, ,不超过的限制实验估计(24]。根据(23),最大的人类安全场幅度是15 kA m型⁻¹。消融在AMF模拟参数: ,步长:5卡·m⁻¹, ,和步长为150千赫。这些范围被选来维持以下因素限制。此外,研究了热损伤脑组织血流灌注的函数和时间来确定最大病灶大小的变化在一个典型的消融,这个参数可以是多种多样的25]。模拟了在−0%、50%、和100%的正常组织灌注的0.0064秒⁻¹和180和300 - 900年代(步长:300)。

2.5.3。有限元模型验证

有限元模型是测试其有效性使用分析模型由Andra et al。26]。模型,预测温度上升由于球形纳米复合材料,是由 在哪里是体积功率(方程(2)),是密度,热容,纳米复合材料的热导率,所有近似规则的混合物。 , ,和肝组织的性质。参数 , , , ,和缩写:

纳米复合材料被认为是包含5卷。% MNP和PDMS;其属性计算使用简单的规则的混合物。球的半径为 。一个体积加热功率,P33.7 (MW·m⁻³)使用。周边地区被认为是肝组织,因此相应的属性表1被使用。

3所示。结果与讨论

3.1。材料的表征

图2显示了磁化曲线和基于纳米复合材料在磁场的45 kOe。基于饱和磁化强度值,米_年代69.33 emu·g⁻¹。的米_年代值样本MNP-1、MNP-2 MNP-5 2.37 emu·g⁻¹3.41 emu·g⁻¹和6.46 emu·g⁻¹,分别。这些值是3.4%,4.9%,和9.3%,分别纯MNP价值获得。虽然值纳米复合材料的纳米粒子浓度的增加而增加,重要的是要注意,在更高浓度(大约超过10%体积分数),粒子聚集由于磁引力或范德华力等因素会影响磁性,因此,具体损耗功率(27]。

3.2。在活的有机体内预测

磁测量的基础上,我们评估设备的性能在肝组织使用的加热参数研究。

一个横断面(x- - - - - -z飞机)视图内的温度分布完全灌注组织(图3(一个))加热15分钟后显示温度与最高温度非均匀分布, ,发生的中心主动提示。它可以观察到生成的热量扩散到周围组织;因此,最大的组织温度, ,发生表面的活跃,较低。这是符合传导,传热的主要模式。表2显示的预测和一系列的AMF振幅(5 - 15.0 kA·m⁻¹)和频率(150 - 450千赫)的加热15分钟后这三个样品。它可以观察到温度差异( )增加而增加因素和ϕ。例如,对于包含2卷的纳米复合材料。%,增加从为的因素( , )来为的因素( , )。类似地,对于一个给定的的因素( , ), 增加从( )来( )。此外,不同的H和f对如 , 和 , 可以用来达到相同的温度水平( , )对于一个给定的MNP的浓度。从病人安全与健康考虑,谨慎使用AMF值低。表3总结了加热功率密度(W·米⁻³)和总加热功率(W)值的活动的调查被用来获得温度的值在表2。

为我们的热损伤分析,中间值的范围H和f(即。,10 kA·m⁻¹和),导致 ,被使用。一个横断面(x- - - - - -z飞机)的病变,地区组织损伤发生时,揭示了其椭球的形状(图3 (b)),这是对称分布的积极的调查。图3 (d)显示了一个情节的组织温度和热损伤计算点0.3厘米远离中心的active-tip经过15分钟的加热速度不同的组织灌注。它可以观察到100%热损伤达到几分钟后AMF。的情况下完全灌注组织( ),3分钟后发生。的时间减少到2分钟的情况下nonperfusion ( )。这个相对快速实现热损伤可以归因于初始加热率,导致接触组织的烧蚀温度几乎整个治疗的持续时间。尽管在距离远离活动提示整体温度水平降低,适当的热损伤可能是由于长时间暴露在这些温度(图3 (e))。图3 (f)显示了一个情节的组织温度和热损伤函数的径向距离15分钟后不同利率的组织灌注。数据显示,远离active-tip热损伤比温度下降更快。

表4总结了病变大小nonperfused发展作为时间的函数( )和完全灌注( )。用于计算的参数尺寸如图3 (c)。研究结果表明,组织灌注大大影响病变的发展。例如,病灶体积增加从1.29厘米³(3分钟)后到11.82厘米³(15分钟后)nonperfused ( )组织,代表增长了916%。这对灌注完全被认为是减少到293%。在15分钟,预测损伤宽度和深度的范围和 ,分别。

3.3。模型验证

为了验证计算模型,数值结果进行了比较与分析模型结果由Andra和同事(26]。图4显示温度的函数的比较(a)的时间点中心的纳米复合材料(a)和复合中心的距离(b)后15分钟的加热。研究结果表明,有限元分析结果之间的差异从分析结果。的偏差可以归因于几何网格的大小和形状等因素。

4所示。结论

在这个工作中,结合实验和模型被用来研究肝肿瘤的thermoablation通过使用磁性纳米探针。

一个模型,聚合物基纳米复合材料组成的PDMS和纳米粒子,是成功的。磁与乌贼磁强计测量结果表明,饱和磁化强度, ,纳米粒子浓度的增加而增加的9%左右纯粹的价值纳米粒子体积百分比的范围在1和5%之间。磁测量的基础上,在活的有机体内探测器的性能,使用人类安全AMF型参数,调查。结果表明,合理的病变大小,很大程度上受到时间和组织灌注,是可以实现的。病灶体积增加了916%和293%,nonperfused和完全灌注组织,分别3至15分钟的加热。比较灌注损伤卷nonperfused和完全组织在特定的时间显示,随时间增加的区别。例如,在3分钟,nonperfused组织的预测量是2倍体积获得完全灌注组织。在15分钟,翻了一倍。这些大小类似于那些通过其他probe-based thermoablation技术报告在文献[18,28,29日]。

结果证明我们的磁性纳米探针的潜在治疗小( )固体肝肿瘤。此外,我们调查的潜在的优势超过其他probe-based技术结合多通道的可能性(热量和药物)的特性。进一步的研究,包括在体外和在活的有机体内实验中,需要一个现实的评估调查。

附录

有限元模型的实现

数值分析与有限元模型COMSOL多重物理量4.3软件包(美国伯灵顿马COMSOL)。所有物理、磁、热性能添加显式有限元模型的全局定义或变量模型节点下。一个3 d几何模型用于分析。

bioheat传热的温度分布是实现应用程序模式。37°C是作为模型的初始温度,和边界条件都是指定为这些部分中概述2E1。热源被添加到bioheat转移应用程序模式作为一个用户定义的热源。

几何模型与不同大小的三维网状三角网格元素。所有计算的网格大小被定义为一个physics-controlled网格元素大小指定为“多好”和“极好”组织和探测领域,分别。数值解得到使用“天堂”的方法。模拟是运行在一个中档工作站与英特尔(R)至强(R) e5 8 GB - 1620 CPU和RAM。

数值解是分为3个步骤:(i)体积功率输出,P从方程,获得了(2);(2)温度分布是决定作为时间的函数,使用体积功率输出从步骤(i)作为热代术语在方程(3);和(iii)热剂量计算作为时间的函数,使用温度历史,是用作输入方程(4)。有限元分析,15分钟10年代时间研究步骤。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作成为可能的财政支持建立一个新一代的学者在非洲(BANGA-Africa)项目是由纽约卡耐基基金会的资助。

引用

1. 洛杉矶老爹,f·布雷,r·l·西格尔,j . Ferlay j . Lortet-Tieulent和a . Jemal“统计数据,2012年全球癌症,”CA:临床医生的癌症杂志》上,卷65,不。2、87 - 108年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. Bruix和m .谢尔曼,肝癌的管理”,肝脏病学,42卷,不。5,1208 - 1236年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. d . Haemmerich和d . j . shutt”顺序激活多个接地垫降低皮肤加热肿瘤射频消融过程中,“国际期刊的高热,23卷,不。7,555 - 566年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. s·d·霍夫曼:p·霍夫曼,r . Lewandowski和d·布朗“射频消融术复杂皮肤烧伤,”研讨会在介入放射学,28卷,不。2、179 - 182年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. h·易卜拉欣,b . Finta和j .皮”发病率和因素预测皮肤烧伤的中性电极在心律失常的射频导管消融,“心脏病学研究和实践卷,2016篇文章ID 5265682, 4页,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. k . Steinke s Gananadha j·王,j .赵和d·l·莫里斯“分散垫网站与现代射频消融设备燃烧,“外科腹腔镜检查,内镜和经皮技术,13卷,不。6,366 - 371年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. p . k . Jain黄x i . h . El-Sayed和m . a . El-Sayed”贵金属纳米级:光在成像和光热光谱分析属性和一些应用,遥感,生物学,医学,”的化学研究第41卷。。12日,第1586 - 1578页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. l . h . Reddy j·l·阿里亚斯j .尼古拉斯和p . Couvreur“磁性纳米颗粒:设计和特性,毒性和生物相容性,制药和生物医学应用,”化学评论,卷112,不。11日,第5878 - 5818页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. A·c·安塞尔莫和美国Mitragotri回顾临床翻译的无机纳米粒子,”aap杂志,17卷,不。5,1041 - 1054年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. k . Kan-Dapaah:拉赫巴尔,w . Soboyejo“植入式磁性纳米复合材料的局部治疗乳腺癌,”应用物理杂志,卷116,不。23日,ID 233505条,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. k . Kan-Dapaah:拉赫巴尔,a . Tahlil d . Crosson n .姚明,和w·Soboyejo“机械和超热状况属性磁性纳米复合材料的生物医学应用程序”生物医学材料的力学行为杂志》上49卷,第128 - 118页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. k . Kan-Dapaah:拉赫巴尔,w . Soboyejo”小说磁加热探针多通道癌症治疗,”医学物理学,42卷,不。5,2203 - 2211年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. k . Kan-Dapaah o . A . Asimeng s . k . Kwofie A亚亚,“电浆光热的调查thermoablation术后乳腺癌细胞,”有说服力的工程,4卷,不。1,文章ID 1331966, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. j·凯瑞,b . Mehdaoui和m . Respaud“动态磁滞回线的简单模型的计算磁单极纳米粒子:应用程序磁高热优化”应用物理杂志,卷109,不。8篇文章ID 083921 - 17, 2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. h . h .人们”,分析组织和休息人的前臂动脉血液的温度,“应用生理学杂志,1卷,不。2、93 - 122年,1948页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. s .雅克·s . Rastegar、美国Thomsen和m . Motamedi”动态变化的角色在激光凝固血液灌注和光学性质的组织,”IEEE选定的主题在量子电子学杂志》上,2卷,第933 - 922页,1996年。视图:谷歌学术搜索
17. r .充分的j·a·皮尔斯a·j·韦尔奇和m . Motamedi“动脉组织热损伤率过程模型:影响血管凝固,“激光手术和医学,15卷,不。2、176 - 184年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 中情局Chang和美国d·阮”热损伤增长与射频消融设备的建模,”生物医学工程在线,3卷,不。1 - 2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. f .鸭子,物理性质的组织:一个全面的参考书、学术出版社,纽约,纽约,美国,1990年。
20. s . Tungjitkusolmun s . t . Staelin d Haemmerich et al .,“对肝肿瘤射频消融三维有限元分析,”IEEE生物医学工程卷,49号1,3 - 9,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. 李和d, d·埃里克森·d·辛顿,“焦耳加热和传热在保利(dimethylsiloxane)微流控系统中,“芯片上的实验室,3卷,不。3,p。141年,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. r·e·罗森格”与交变磁场加热磁性流体”,磁学和磁性材料》杂志上卷,252年,第374 - 370页,2002年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 问:a .同j·康诺利,s . k .琼斯和j·多布森,“磁性纳米颗粒在生物医学中的应用”,物理学学报D辑:应用物理,36卷,不。13日,167 - 181年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. r . Hergt s Dutz r·穆勒和m . Zeisberger“磁粉高热:纳米磁性材料发展为癌症治疗,”物理学杂志》:凝聚态,18卷,不。38岁,2919 - 2934年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. s . n . Goldberg·f·哈恩k . k .田边et al .,“经皮射频消融组织:perfusion-mediated组织冷却凝固性坏死?”血管和介入放射学杂志》上,9卷,不。1,第111 - 101页,1998。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. w . Andra c . g . d 'Ambly r . Hergt Hilger,和w·a·凯泽“温度分布作为时间的函数在一个小球状热源的地磁高热,”磁学和磁性材料》杂志上,卷194,不。1 - 3、197 - 203年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. s Dutz和r . Hergt磁性纳米颗粒加热和微尺度传热:基本原则、现实和高热的物理局限性肿瘤药物治疗”国际期刊的高热卷,29号8,790 - 800年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. m .我们洛杉矶Lesmana, r . Tateishi et al .,“亚太研究协会建议肝癌肝脏共识,”肝脏病学国际,4卷,不。2、439 - 474年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. t .柴田y Iimuro,山本y . et al .,“小肝细胞癌:比较射频消融和经皮微波凝固治疗,”放射学,卷223,不。2、331 - 337年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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