KR102172017B1 - Heating method of magnetic nano particles - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자성 나노 입자의 발열 방법으로서, (a) 자성 나노 입자(100)를 제공하는 단계, (b) 자성 나노 입자(100)가 공명 주파수를 가지도록, 제1 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가하는 단계, 및 (c) 공명 주파수를 가지는 제2 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가하는 단계를 포함하고, (c) 단계에서 자성 나노 입자(100)가 발열되고, 포화(saturation)되기 전까지의 발열량은 제1 자기장의 세기와 자성 나노 입자의 감쇠 상수의 곱에 비례하는 것을 특징으로 한다.The present invention is a method of heating magnetic nanoparticles, comprising: (a) providing the magnetic nanoparticles 100, (b) applying a first magnetic field to the magnetic nanoparticles 100 so that the magnetic nanoparticles 100 have a resonance frequency. ), and (c) applying a second magnetic field having a resonant frequency to the magnetic nanoparticles 100, and in step (c), the magnetic nanoparticles 100 are heated, and saturation ), the amount of heat generated before it is characterized in that it is proportional to the product of the strength of the first magnetic field and the damping constant of the magnetic nanoparticles.
Description
본 발명은 자성 나노 입자의 발열 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 공명하는 자성 나노 입자에서 열을 발생시키는 과정에서 보다 효율적으로 열을 발생시킬 수 있는 자성 나노 입자의 발열 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of heating magnetic nanoparticles. More specifically, it relates to a method of generating heat for magnetic nanoparticles that can more efficiently generate heat in the process of generating heat from the resonant magnetic nanoparticles.
최근에, 세포 염색, 세포 분리, 생체내 의약 전달, 유전자 전달, 질병이나 이상의 진단 및 치료, 분자 영상 의학 등의 생의학 분야에서 다양한 종류의 나노 입자를 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다.In recent years, studies using various types of nanoparticles have been actively conducted in the field of biomedicine such as cell staining, cell separation, in vivo medicine delivery, gene transfer, disease or abnormal diagnosis and treatment, and molecular imaging medicine.
이 중에서 자성 나노 입자에서 열을 발생시키고, 이 발생된 열을 적용하는 다양한 분야의 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 온열 치료(Hyperthermia) 기술은, 환부에 체온보다 높은 온도의 열을 가하여 치료하는 기술이다. 일반적으로, 신체 조직, 세포 등이 체온보다 5℃ 이상의 열에 노출되면, 단백질의 변성에 의해 사멸할 수 있다. 특히, 42℃ 이상의 온도에서는 암세포를 효과적으로 사멸시킬 수 있으며, 열의 작용으로 면역 세포 또한 활성화 될 수 있다. 그리하여, 종양, 암세포 등의 제거에 있어서 온열 치료는 방사선 치료 또는 항암 치료와 함께 병행하여 적용하거나, 단독으로 적용될 수 있다.Among them, researches in various fields that generate heat from magnetic nanoparticles and apply the generated heat are being conducted. For example, the hyperthermia technique is a technique for treating an affected area by applying heat at a higher temperature than body temperature. In general, when body tissues, cells, etc. are exposed to heat of 5° C. or higher than body temperature, they may die by denaturation of proteins. In particular, cancer cells can be effectively killed at temperatures above 42°C, and immune cells can also be activated by the action of heat. Thus, in the removal of tumors and cancer cells, heat treatment may be applied in parallel with radiation treatment or anticancer treatment, or may be applied alone.
위와 같은 장점에도 불구하고, 온열 치료는 신체 내부 깊숙한 곳에 위치한 치료 대상인 종양, 암세포 등에 집중적으로 열을 전달하면서도, 효과적으로 열을 전달하는 것이 어려운 실정이다. 최근 체내에 안테나, 고주파 전극 등을 삽입한 후 외부에서 고주파를 인가함에 따라 환부의 악성 세포를 괴사시키는 방법인 소개되고 있다.In spite of the above advantages, it is difficult to effectively transfer heat while intensively transferring heat to tumors and cancer cells, which are treatment targets located deep inside the body. Recently, a method of necrosis of malignant cells in the affected area by applying a high frequency externally after inserting an antenna or a high frequency electrode into the body has been introduced.
그러나 이러한 종래의 기술은, 적용되는 발열량의 최대 한계는 약 1kW/g에 불과한 실정이다. 예를 들어, FDA가 승인한 Fe3O4 나노입자의 경우는 주위 환경에 의해 결정성, 자기적 특성 및 발열 특성의 변화가 심하고 발열 온도가 낮아서 온열 치료 등에 적용하기에는 한계가 있고, 10mm 이상의 크기를 가진 종양을 치료할 수 있는 이상적인 수치(2kW/g)에는 다소 부족한 문제점이 있다.However, in such a conventional technique, the maximum limit of the applied heating value is only about 1 kW/g. For example, in the case of Fe 3 O 4 nanoparticles approved by the FDA, crystallinity, magnetic properties, and exothermic properties vary greatly depending on the surrounding environment, and the exothermic temperature is low, so it is limited to be applied to thermal treatment, etc. The ideal value (2kW/g) that can treat tumors with is somewhat insufficient.
그리고, 종래의 자성 나노 입자에서 열을 발생시키는 방법은, 고주파 인가에 따른 히스테리시스 자기 손실에 따른 에너지를 열로 발생시키거나, 브라우니안 릴랙세이션에 따라 열을 발생키는 것을 원리로 하는데, 이를 위해서는 인가되는 자기장의 크기가 수백 Oe 이상으로 매우 커져야 하며, 이는 장치의 고비용화, 대형화를 수반하는 문제점이 있었다.In addition, the conventional method of generating heat in magnetic nanoparticles is based on the principle of generating heat according to hysteresis magnetic loss due to high frequency application or generating heat according to Brownian relaxation. The size of the applied magnetic field must be very large, over several hundred Oe, and this has a problem that increases the cost and size of the device.
그리고, 종래의 온열 치료 방법들은 인체 내에 안테나, 고주파 전극 등의 삽입을 위해 물리적인 수술을 추가로 필요로 하는 문제점이 있었다. 또한, 온열 치료를 하고자 하는 대상 영역을 미세하게 특정하는 것이 어려워 종양, 암세포뿐만 아니라 주위의 정상적인 조직까지 괴사하게 되는 문제점이 있었다.In addition, conventional thermal treatment methods have a problem that additional physical surgery is required to insert an antenna, a high-frequency electrode, or the like into the human body. In addition, it is difficult to finely specify the target region to be subjected to thermal treatment, and thus, there is a problem that not only tumors and cancer cells but also normal tissues around the body are necrotic.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 자성 나노 입자에서 열을 발생시키는 과정에서 보다 효율적으로 열을 발생시킬 수 있는 자성 나노 입자의 발열 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve various problems including the above problems, and an object of the present invention is to provide a heating method of magnetic nanoparticles that can more efficiently generate heat in the process of generating heat from magnetic nanoparticles. .
그리고, 본 발명은 저자기장의 인가로 높은 발열량을 발생시킬 수 있는 자성 나노 입자의 발열 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method of heating magnetic nanoparticles capable of generating a high calorific value by application of a low field.
그리고, 본 발명은 저주파를 사용하여, 장치의 저비용화, 소형화가 가능한 자성 나노 입자의 발열 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, it is an object of the present invention to provide a method for generating heat of magnetic nanoparticles capable of reducing the cost and size of a device using a low frequency.
그리고, 본 발명은 온열 치료에 사용할 경우 특정한 치료 대상 부위에 선택적으로, 집중적으로 열을 발생시킬 수 있는 자성 나노 입자의 발열 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method of generating heat of magnetic nanoparticles that can selectively and intensively generate heat in a specific area to be treated when used for thermal treatment.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 자성 나노 입자를 제공하는 단계; (b) 상기 자성 나노 입자가 공명 주파수를 가지도록, 제1 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계; 및 (c) 상기 공명 주파수를 가지는 제2 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계를 포함하고, (c) 단계에서 상기 자성 나노 입자가 발열되고, 포화(saturation)되기 전까지의 발열량은 상기 제1 자기장의 세기와 상기 자성 나노 입자의 감쇠 상수의 곱에 비례하는, 자성 나노 입자의 발열 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention for solving the above problems, (a) providing magnetic nanoparticles; (b) applying a first magnetic field to the magnetic nanoparticles so that the magnetic nanoparticles have a resonance frequency; And (c) applying a second magnetic field having the resonant frequency to the magnetic nanoparticles, and in step (c), the magnetic nanoparticles generate heat, and the amount of heat generated before saturation is the first There is provided a method for generating heat of magnetic nanoparticles in proportion to the product of the strength of the magnetic field and the attenuation constant of the magnetic nanoparticles.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 나노 입자의 발열량은 상기 제1 자기장의 세기와 상기 자성 나노 입자의 감쇠 상수의 곱보다 제2 자기장의 세기가 작을 때까지 증가할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the amount of heat generated by the magnetic nanoparticles may increase until the intensity of the second magnetic field is smaller than the product of the strength of the first magnetic field and the attenuation constant of the magnetic nanoparticles.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 포화되기 전까지의 자성 나노 입자의 발열량 QRES는, 
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 포화된 후의 자성 나노 입자의 발열량 QRES는, 
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 자기장의 세기를 조절하여 포화되는 발열량의 최대치를 조절할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the maximum value of the amount of heat to be saturated may be adjusted by adjusting the strength of the first magnetic field.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 나노 입자의 감쇠 상수는 0.01 내지 0.07일 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the attenuation constant of the magnetic nanoparticles may be 0.01 to 0.07.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 나노 입자는 1nm 이상, 40nm 미만의 직경을 가질 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the magnetic nanoparticles may have a diameter of 1 nm or more and less than 40 nm.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 나노 입자는 40nm 이상, 500nm 미만의 직경을 가질 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the magnetic nanoparticles may have a diameter of 40 nm or more and less than 500 nm.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 나노 입자는, 자기 소용돌이 코어 성분, 수평 자화 성분 및 나선 자화 성분을 포함하는 자기 소용돌이 구조(Magnetic Vortex Structure)를 가질 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, the magnetic nanoparticles may have a magnetic vortex structure including a magnetic vortex core component, a horizontal magnetization component, and a spiral magnetization component.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 자기장은 직류 자기장일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the first magnetic field may be a direct current magnetic field.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 자기장은 교류 자기장 또는 펄스 자기장일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the second magnetic field may be an alternating current magnetic field or a pulsed magnetic field.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 자기장은 상기 제1 자기장이 인가되는 방향과 소정의 각도를 가지는 방향으로 인가될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the second magnetic field may be applied in a direction having a predetermined angle from a direction in which the first magnetic field is applied.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 나노 입자의 상기 공명 주파수는 상기 제1 자기장의 크기에 따라 변화할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the resonant frequency of the magnetic nanoparticles may vary according to the magnitude of the first magnetic field.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 나노 입자의 상기 공명 주파수는 상기 자성 나노 입자의 크기에 따라 변화할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the resonance frequency of the magnetic nanoparticles may be changed according to the size of the magnetic nanoparticles.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 나노 입자는 Permalloy(Ni80Fe20), Maghemite(γ-Fe2O3), Magnetite(γ-Fe3O4), BariumFerrite(BaxFeyOz; x, y, z는 임의의 조성) 및 CoFe2O4 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the magnetic nanoparticles are Permalloy (Ni 80 Fe 20 ), Maghemite (γ-Fe 2 O 3 ), Magnetite (γ-Fe 3 O 4 ), BariumFerrite (Ba x Fe y O z ; x, y, z may include at least one of an arbitrary composition) and CoFe 2 O 4 .
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자성 나노 입자에서 열을 발생시키는 과정에서 보다 효율적으로 열을 발생시킬 수 있는 자성 나노 입자의 발열 방법을 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention made as described above, it is possible to implement a heating method of magnetic nanoparticles that can more efficiently generate heat in the process of generating heat from the magnetic nanoparticles.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저자기장의 인가로 높은 발열량을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.And, according to an embodiment of the present invention, there is an effect of generating a high calorific value by application of a low field.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저주파를 사용하여, 장치의 저비용화, 소형화가 가능한 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, there is an effect of reducing the cost and miniaturization of the device by using a low frequency.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온열 치료에 사용할 경우 특정한 치료 대상 부위에 선택적으로, 집중적으로 열을 발생시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, when used for thermal treatment, there is an effect of selectively and intensively generating heat in a specific treatment target area.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인가된 제1 자기장에 대한 자성 나노 입자의 자화 정렬을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 자기장에 대한 자성 나노 입자의 크기에 따른 공명 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노 입자의 공명을 위하여 자성 나노 입자에 직류 자기장과 교류 자기장을 인가하는 예시적인 방법을 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 주파수를 가지는 교류 자기장을 인가할 때의 자성 나노 입자의 공진을 자성 나노 입자의 크기에 따라 도시하는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따른 다른 감쇠 상수를 가지는 자성 나노 입자에 인가하는 교류 자기장의 세기에 따른 발열량을 도시하는 그래프들이다.
도 7은 본 발명의 여러 실시예에 따른 다른 세기의 직류 자기장을 인가하고, 교류 자기장의 세기를 변화시켜 인가하였을 경우의 발열량을 도시하는 그래프들이다.
도 8은 본 발명의 여러 실시예에 따른 다른 감쇠 상수를 가지는 자성 나노 입자에 인가하는 직류 자기장의 세기에 따른 발열량을 도시하는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노 입자의 발열 방법을 적용하여 온열 치료를 구현하는 장치를 도시하는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그넷 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 농도, 종양의 크기에 따라 암세포를 제거하는데 필요한 발열량을 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram showing magnetic nanoparticles having a magnetic vortex structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating magnetization alignment of magnetic nanoparticles with respect to an applied first magnetic field according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a change in resonant frequency according to the size of magnetic nanoparticles for a first magnetic field according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating an exemplary method of applying a DC magnetic field and an AC magnetic field to magnetic nanoparticles for resonance of magnetic nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
5 are graphs illustrating resonance of magnetic nanoparticles when an alternating magnetic field having a different frequency is applied according to an embodiment of the present invention according to the size of the magnetic nanoparticles.
6 are graphs showing the amount of heat generated according to the intensity of an alternating magnetic field applied to magnetic nanoparticles having different attenuation constants according to various embodiments of the present invention.
7 is a graph showing the amount of heat generated when a direct current magnetic field of different strength is applied and the strength of an AC magnetic field is changed and applied according to various embodiments of the present invention.
8 are graphs showing the amount of heat generated according to the intensity of a DC magnetic field applied to magnetic nanoparticles having different attenuation constants according to various embodiments of the present invention.
9 is a schematic diagram showing an apparatus for implementing a thermal treatment by applying a heating method of magnetic nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
10 is a schematic diagram showing a magnet system according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing the amount of heat required to remove cancer cells according to particle concentration and tumor size according to an embodiment of the present invention.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The detailed description of the present invention to be described later refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail sufficient to enable a person skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different from each other but need not be mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. In the drawings, similar reference numerals refer to the same or similar functions over several aspects, and the length, area, thickness, and the like may be exaggerated and expressed for convenience.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily implement the present invention.
본 명세서에 있어서, 자성 나노 입자는 단자구 및 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자를 중심으로 설명하나, 반드시 이에 제한되지는 않으며, 공명을 이용하여 발열시킬 수 있는 자성 나노 입자는 모두 포함될 수 있음을 밝혀둔다.In the present specification, the magnetic nanoparticles are described mainly with magnetic nanoparticles having a terminal sphere and a magnetic vortex structure, but are not necessarily limited thereto, and all magnetic nanoparticles capable of generating heat by using resonance may be included. Reveal it.
[발열 대상 자성 나노 입자][Magnetic nanoparticles to be heated]
발열 대상이 되는 자성 나노 입자는 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 철, 코발트, 니켈, 또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 자성 나노 입자는 강자성체일 수 있다. 자성 나노 입자는, 예를 들어 Permalloy(Ni80Fe20), Maghemite(γ-Fe2O3), Magnetite(γ-Fe3O4), BariumFerrite(BaxFeyOz; x,y,z는 임의의 조성) 및 CoFe2O4등일 수 있다. 그러나, 이러한 자성 나노 입자의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.The magnetic nanoparticles to be heated may include a metal, for example, iron, cobalt, nickel, or an alloy thereof. The magnetic nanoparticles may be ferromagnetic. Magnetic nanoparticles are, for example, Permalloy (Ni 80 Fe 20 ), Maghemite (γ-Fe 2 O 3 ), Magnetite (γ-Fe 3 O 4 ), Barium Ferrite (Ba x Fe y O z ; x,y,z May be any composition) and CoFe 2 O 4 and the like. However, the material of the magnetic nanoparticles is not limited thereto.
나노 스케일의 자성 입자에 외부에서 일정한 크기의 외부 자기장을 가하면, 자성 입자의 스핀이 외부 자기장 방향으로 정렬한다. 이렇게 정렬된 상태에서 특정 공명 주파수의 교류 자기장 또는 펄스 자기장을 인가할 경우, 자성 나노 입자는 외부 자기장 방향[또는, 제1 자기장 방향]을 중심으로 강한 세차 운동(precessional motion)을 하게 된다. 이러한 세차 운동은 회전체의 회전축이 움직이지 않는 어떤 축의 둘레를 도는 현상을 의미하며, 중심력장 속에서 운동하고 있는 전자계에 외부 자기장이 인가되면, 각운동량의 자기 모멘트가 외부 자기장의 방향을 축으로 하여 회전하게 된다.When an external magnetic field of a certain size is applied to the nano-scale magnetic particles from the outside, the spins of the magnetic particles are aligned in the direction of the external magnetic field. When an alternating magnetic field or a pulsed magnetic field of a specific resonant frequency is applied in such an aligned state, the magnetic nanoparticles perform a strong precessional motion around the external magnetic field direction (or the first magnetic field direction). This precession refers to a phenomenon in which the rotational axis of the rotating body revolves around an axis that does not move, and when an external magnetic field is applied to the electromagnetic field moving in the central force field, the magnetic moment of the angular momentum becomes It will rotate.
이러한 세차 운동의 주파수는 수학식 1과 같이 나타난다.The frequency of this precession is expressed by
[수학식 1][Equation 1]
f = L·Bf = L·B
(여기에서 f는 주파수, B는 자기장의 크기)(Where f is the frequency and B is the magnitude of the magnetic field)
현재까지는, 단일 스핀을 가지는 물질은 수학식 1의 "L"의 값이 2.803 (MHz/Oe)의 고정된 상수로 나타나며, 이는 라모어 주파수(Lamor Frequency)로 알려져 있다. 따라서, 단자구(single magnetic domain)를 가지는 자성 나노 입자도 하나의 거대한 스핀 구조체로서 작용하므로, 상기 라모어 주파수를 가지게 된다. 단자구를 가지는 자성 나노 입자의 직경은 약 1nm 이상 40nm 미만일 수 있다.Until now, a material having a single spin has a value of "L" in
그러나, 자성 나노 입자의 크기, 형상, 및/또는 재료를 변화시키면, 상기 자성 나노 입자가 단자구로서 작용하지 않게 되고, 수학식 1의 "L"이 더 이상 상수값이 아니게 된다. 즉 라모어 주파수를 가지지 않게 된다. 본 명세서에서는, 라모어 주파수를 가지지 않는 자성 나노 입자를 "자기 소용돌이 구조(magnetic vortex structure)를 가지는 자성 나노 입자"로 지칭하기로 한다. 예를 들어, 자성 나노 입자(100)가 자기 소용돌이 구조를 가지는 경우에는, 자성 나노 입자는 자신의 직경에 따라 변화된 공진 주파수를 가지게 된다.However, when the size, shape, and/or material of the magnetic nanoparticles are changed, the magnetic nanoparticles do not function as a terminal sphere, and “L” in
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)를 도시하는 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a
자성 나노 입자(100)는 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 범위의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어 구형(球形) 퍼멀로이 합금(Permalloy, Ni80Fe20)인 경우에는 수십 nm 내지 수백 nm, 바람직하게는, 40 nm 이상 500nm 미만의 직경을 가지는 구체일 수 있다. 그러나, 자성 나노 입자의 크기와 형상은 예시적이며, 구형이 아닌 다른 형상을 가지거나 500nm 보다 큰 직경을 가지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함될 수 있다.The
라모어 주파수를 가지지 않는, 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자의 세차 운동의 주파수(ωMV)는 수학식 2를 따른다.The frequency (ω MV ) of the precession motion of magnetic nanoparticles having a magnetic vortex structure that does not have a Lamore frequency follows
[수학식 2][Equation 2]
ωMV=γeffHDC , [γeff=γ<mГ> ]ω MV =γ eff H DC , [γ eff =γ<m Г >]
(여기에서 <mГ>는 자기 소용돌이 핵 방향으로의 평균 자화값, γ은 자이로 자기 계수)(Where <m Г > is the average magnetization value in the magnetic vortex core direction, γ is the gyro magnetic coefficient)
자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)는 γeff 를 따르며, 나노 입자의 크기를 반영하는 <mГ>에 따라 공명주파수 ωMV이 가변적일 수 있다.The
도 1을 더 참조하면, 자성 나노 입자(100)는 자기 소용돌이 구조(110)를 가질 수 있다. 자기 소용돌이 구조(110)는 자기 소용돌이 코어(Magnetic Vortex Core) 성분(120), 수평 자화 성분(130), 및 나선 자화 성분(140)을 가질 수 있다.Referring further to FIG. 1, the
자기 소용돌이 코어 성분(120)은 자성 나노 입자(100)의 중앙 부분을 관통하고, 자기력의 방향이 +Z 방향을 가질 수 있다. +Z 방향은 자성 나노 입자(100)가 미리 가지고 있는 자기장의 방향에 의하여 결정되거나 또는 인가되는 외부 자기장의 방향에 의하여 결정될 수 있다.The magnetic
수평 자화 성분(130)은 자기 소용돌이 코어(120)를 축으로 하여 궤도를 가지고 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 위치할 수 있다. 수평 자화 성분(130)은 자성 나노 입자(100)의 형상, 재질, 및/또는 결정 방향에 따라 동심원의 형태의 궤도를 가지거나 또는 타원 등 다양한 형태의 궤도를 가질 수 있다. 수평 자화 성분(130)은 자기 소용돌이 코어(120)에 대하여 소정의 각도를 가질 수 있고, 예를 들어 수직일 수 있다. 그러나, 수평 자화 성분(130)은 자성 나노 입자(100)의 물성, 형상, 및/또는 크기에 따라 자기 소용돌이 코어(120)의 방향의 자화 방향 성분 또는 자기 소용돌이 코어(120)의 반대 방향의 자화 방향 성분을 일정 정도 가질 수 있으므로, 자기 소용돌이 코어(120)와 수평 자화 성분(130)은 서로 수직하지 않을 수 있다. 수평 자화 성분(130)은 자성 나노 입자(100)의 전체 부피에 걸쳐서 존재할 수 있다.The
나선 자화 성분(140)은 자기 소용돌이 코어(120)에 인접하여 위치할 수 있고, 자기 소용돌이 코어(120)가 향하는 방향과 동일한 방향으로 향할 수 있다. 나선 자화 성분(140)은 수평 자화 성분(130)에 의하여 영향을 받을 수 있고, 이에 따라 나선형으로 회전하는 형태를 가질 수 있다. 이러한 나선 자화 성분(140)에 의하여 자성 나노 입자(120) 내부의 자화 방향이 자기 소용돌이 코어(120)로부터 수평 자화 성분(130)으로 점진적으로 변화할 수 있다. 즉, 자성 나노 입자(120) 내부의 자화 방향이 자성 나노 입자(100)의 내부 위치에 따라 Z 방향으로부터 Y 방향으로 점진적으로 변화할 수 있다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인가된 외부 자기장(제1 자기장)에 대한 자성 나노 입자의 자화 정렬을 나타내는 모식도이다.2 is a schematic diagram showing magnetization alignment of magnetic nanoparticles with respect to an applied external magnetic field (first magnetic field) according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 외부 자기장에 의하여 자성 나노 입자는 자화 방향이 변화될 수 있다. 도 2에서, +Z 방향은 상기 자성 나노 입자의 평균 자화 방향을 나타내는 것으로 사용되었으며, +Y 방향은 자성 나노 입자에 외부에서 인가되는 자기장의 방향을 나타내는 것으로 사용되는 것으로서, 본 발명이 이러한 방향에 한정되는 것은 아니다. 또한, +Z 방향과 +Y 방향은 서로 다른 방향을 의미하는 것으로서, 서로 수직일 수 있고, 또는 수직이 아닐 수 있다.Referring to FIG. 2, magnetic nanoparticles may change their magnetization direction by an external magnetic field. In FIG. 2, the +Z direction is used to indicate the average magnetization direction of the magnetic nanoparticles, and the +Y direction is used to indicate the direction of the magnetic field applied from the outside to the magnetic nanoparticles. It is not limited. In addition, the +Z direction and the +Y direction refer to different directions, and may be perpendicular to each other or may not be perpendicular to each other.
도 2(a)는 자성 나노 입자에 외부 자기장(제1 자기장)이 인가되기 전으로서, 자성 나노 입자는 +Z 방향의 자화 방향을 가질 수 있다. 즉, 자성 나노 입자의 자기 소용돌이 코어가 +Z 방향을 향할 수 있다.2(a) shows before an external magnetic field (first magnetic field) is applied to the magnetic nanoparticles, the magnetic nanoparticles may have a magnetization direction in the +Z direction. That is, the magnetic vortex core of the magnetic nanoparticles may face the +Z direction.
도 2(b)는 자성 나노 입자에 +Y 방향으로 상대적으로 약한 외부 자기장을 인가한 직후이다. 자성 나노 입자의 평균 자화 방향인 +Z 방향과는 다른 방향인 +Y 방향으로 자성 나노 입자에 자기장을 인가하면, 자기 소용돌이 코어는 +Y 방향으로 향하게 되며, 자기 소용돌이 코어를 중심으로 자기 소용돌이가 형성된다. 이어서, +Y 방향으로 자화가 점진적으로 포화된다.2(b) is immediately after applying a relatively weak external magnetic field in the +Y direction to the magnetic nanoparticles. When a magnetic field is applied to the magnetic nanoparticles in the +Y direction, which is different from the +Z direction, which is the average magnetization direction of the magnetic nanoparticles, the magnetic vortex core is directed in the +Y direction, and a magnetic vortex is formed around the magnetic vortex core. do. Then, the magnetization is gradually saturated in the +Y direction.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 자기장(제1 자기장)에 대한 자성 나노 입자의 크기에 따른 공명 주파수 변화를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing a change in resonance frequency according to the size of magnetic nanoparticles with respect to an external magnetic field (first magnetic field) according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 외부 정자기장(제1 자기장)을 인가하는 경우, 단자구를 가지는 20nm 이상, 40nm 미만 직경의 자성 나노 입자는 전체 스핀이 인가된 외부 자기장의 자기장 방향을 중심으로 세차 운동을 하며 자화 방향을 변경시킬 수 있다. 이때, 자성 나노 입자의 공진 주파수는 외부 자기장에 대하여 일정하게 비례하며, 이러한 경우는 상기 수학식 1에서 "L"이 라모어 주파수인 상수값(2.803 MHz/Oe)을 가지는 경우에 해당됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, when an external static magnetic field (first magnetic field) is applied, magnetic nanoparticles having a diameter of 20 nm or more and less than 40 nm having a terminal sphere perform precession around the magnetic field direction of the external magnetic field to which the entire spin is applied. Magnetization direction can be changed. At this time, it can be seen that the resonance frequency of the magnetic nanoparticles is proportional to the external magnetic field, and this case corresponds to the case where "L" in
한편, 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자는 직경이 커짐에 따라 공명 주파수가 감소된다. 또한, 공명 주파수는 외부 자기장의 크기가 증가됨에 따라 증가한다. 자기 소용돌이 구조를 가지는 40 nm 이상의 자성 나노 입자의 공명 주파수의 감소율은 외부 자기장이 커짐에 따라 급격하게 증가된다.On the other hand, the magnetic nanoparticles having a magnetic vortex structure decrease the resonance frequency as the diameter increases. Also, the resonant frequency increases as the magnitude of the external magnetic field increases. The reduction rate of the resonant frequency of magnetic nanoparticles of 40 nm or more having a magnetic vortex structure increases rapidly as the external magnetic field increases.
표 1은 일 실시예로서, 퍼멀로이(Permalloy, Ni80Fe20) 물질의 자성 나노 입자의 직경과 외부 정자기장에 크기에 대한 공명 주파수를 정리한 표이다.As an example, Table 1 is a table showing the resonant frequencies of the diameters of magnetic nanoparticles of the Permalloy (Ni 80 Fe 20 ) material and the size of the external static magnetic field.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노 입자(100)의 공명을 위하여 자성 나노 입자(100)에 직류 자기장과 교류 자기장을 인가하는 예시적인 방법을 도시하는 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating an exemplary method of applying a direct current magnetic field and an alternating magnetic field to the
도 4를 참조하면, 자성 나노 입자(100)의 +Z 방향[자기 소용돌이 코어 성분(120) 방향]으로 직류 자기장을 인가하고, +Z 방향과는 다른 방향, 예를 들어 수직 방향인 +Y 방향으로 교류 자기장을 인가한다. 표 1에서 나타난 바와 같이, 자성 나노 입자(100)의 직경과 직류 자기장의 크기에 따라 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수가 결정될 수 있다. 교류 자기장은 직류 자기장의 크기에 비하여 작을 수 있고, 교류 자기장의 주파수를 변경하여 자성 나노 입자(100)의 거동을 관찰하기로 한다.4, a direct current magnetic field is applied in the +Z direction (magnetic
예를 들어, 자성 나노 입자(100)는 30nm 직경과 80nm의 직경을 선택한다. Z 방향으로 인가되는 직류 자기장은 약 100 Oe의 크기로 선택한다. Y 방향으로 인가되는 교류 자기장은 약 10 Oe의 크기로 선택한다. 교류 자기장의 주파수는 30nm 직경의 자성 나노 입자의 공명 주파수인 281MHz와 80nm 직경의 자성 나노 입자의 공명 주파수인 50MHz를 선택한다.For example, the
도 5는 다른 주파수를 가지는 교류 자기장을 인가할 때의 자성 나노 입자의 공진을 자성 나노 입자의 크기에 따라 도시하는 그래프들이다. 도 5의 (a) 및 (b)는 직경 30 nm의 자성 나노 입자의 경우이고, 도 5의 (c) 및 (d)는 직경 80 nm의 자성 나노 입자의 경우이다. 5 are graphs illustrating resonance of magnetic nanoparticles when an alternating magnetic field having a different frequency is applied according to the size of the magnetic nanoparticles. 5A and 5B are magnetic nanoparticles having a diameter of 30 nm, and FIGS. 5C and 5D are magnetic nanoparticles having a diameter of 80 nm.
도 5를 참조하면, 직경 30nm의 자성 나노 입자의 경우에는 50MHz의 주파수의 교류 자기장을 인가하는 경우에는 변화가 나타나지 않으나[(a) 참조], 자신의 공명 주파수인 281MHz의 주파수의 교류 자기장을 인가하는 경우에는 이에 반응하여 강한 세차 운동과 자화 반전 등의 운동을 활발하게 하게 되는 것을 나타낸다[(b) 참조].Referring to FIG. 5, in the case of magnetic nanoparticles having a diameter of 30 nm, there is no change when an AC magnetic field having a frequency of 50 MHz is applied [see (a)], but an AC magnetic field having a frequency of 281 MHz, which is its own resonance frequency, is applied. In this case, it indicates that movements such as strong precession and magnetization reversal become active in response to this [see (b)].
직경 80nm의 자성 나노 입자의 경우에는 281MHz의 주파수의 교류 자기장을 인가하는 경우에는 변화가 나타나지 않으나[(d) 참조], 자신의 공명 주파수인 50MHz의 주파수의 교류 자기장을 인가하는 경우에는 이에 반응하여 강한 세차 운동과 자화 반전 등의 운동을 활발하게 하게 되는 것을 나타낸다[(c) 참조].In the case of magnetic nanoparticles with a diameter of 80 nm, there is no change when an alternating magnetic field with a frequency of 281 MHz is applied [see (d)], but when an alternating magnetic field with a frequency of 50 MHz, which is its own resonance frequency, is applied, It indicates that movements such as strong precession and magnetization reversal become active [see (c)].
즉, 자성 나노 입자는 자신의 공명 주파수를 가지는 자기장이 인가되면, 상기 자기장에 의하여 세차 운동 등의 운동의 활발해질 수 있다.That is, when a magnetic field having its own resonant frequency is applied to the magnetic nanoparticles, movement such as precession may be activated by the magnetic field.
단자구를 가지는 자성 나노 입자는 제1 자기장[또는, 직류 자기장]에 따라 다른 공명 주파수를 가지게 되므로, 공명 주파수에 해당하는 제2 자기장[또는, 교류 자기장]의 인가에 대하여 열을 발생시킬 수 있다.Since the magnetic nanoparticles having a terminal sphere have a different resonant frequency according to the first magnetic field [or DC magnetic field], heat can be generated when the second magnetic field corresponding to the resonance frequency [or AC magnetic field] is applied. .
그리고, 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자는 물질, 크기(직경) 또는 제1 자기장[또는, 직류 자기장]에 따라 다른 공명 주파수를 가지게 되므로, 공명 주파수에 해당하는 제2 자기장[또는, 교류 자기장]의 인가에 대하여 선택적으로 열을 발생시킬 수 있다.In addition, since the magnetic nanoparticles having a magnetic vortex structure have different resonant frequencies depending on the material, size (diameter), or the first magnetic field [or DC magnetic field], the second magnetic field corresponding to the resonance frequency [or AC magnetic field] It can generate heat selectively for the application of
[자성 나노 입자의 발열 방법][Method of heating magnetic nanoparticles]
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노 입자(100)를 이용한 자성 나노 입자의 발열 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of heating magnetic nanoparticles using the
본 발명의 일 실시예에 따른, 자성 나노 입자의 발열 방법은, (a) 자성 나노 입자(100)를 제공하는 단계, (b) 자성 나노 입자(100)가 공명 주파수를 가지도록, 제1 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가하는 단계, (c) 공명 주파수를 가지는 제2 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가하는 단계를 포함하고, (c) 단계에서 자성 나노 입자(100)가 발열되는 것을 특징으로 한다. 특히, 자성 나노 입자(100)의 발열량이 점점 커지면서 포화(saturation)될 수 있으며, 포화되기 전까지의 발열량은 제1 자기장의 세기와 자성 나노 입자(100)의 감쇠 상수의 곱에 비례할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heating method of magnetic nanoparticles includes the steps of: (a) providing the
먼저, (a) 단계로, 자성 나노 입자(100)를 제공할 수 있다. 일 예로, 자성 나노 입자(100)에 자기장을 인가할 수 있도록, 자성 나노 입자(100)를 마그넷 시스템(250) 내부로 이동[도 9 참조]함에 따라 본 발명의 자성 나노 입자(100)가 제공될 수 있다.First, in step (a),
이어서, (b) 단계로, 자성 나노 입자(100)에 제1 자기장이 인가됨에 따라 자성 나노 입자(100)가 공명 주파수를 가질 수 있다. 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 제1 자기장에 따라 변화하고, 특히, 자성 나노 입자(100)가 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 경우에, 자성 나노 입자(100)는 자신의 직경에 따라 변화된 공명 주파수를 가질 수 있음은 도 5에서 살펴본 바와 같다.Subsequently, in step (b), as the first magnetic field is applied to the
제1 자기장은 직류 자기장일 수 있다. 직류 자기장은 후술할 마그넷 시스템(250)의 정자장 코일부(251)[도 11 참조]에서 형성될 수 있다. 직류 자기장은 자성 나노 입자(100)의 자기 소용돌이 구조(110)를 변화시키지 않는 범위일 수 있다. 예를 들어 자성 나노 입자가 구형(球形) 퍼멀로이 합금(Permalloy, Ni80Fe20)인 경우에는 직류 자기장은 수십 Oe 내지 수백 Oe, 예를 들어, 10 Oe 이상, 300 Oe 미만의 범위일 수 있다. 그러나, 직류 자기장의 범위는 예시적이며 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 자성 나노 입자(100)의 크기가 증가되면 허용되는 제1 자기장의 크기는 증가될 수 있음은 도 3에서 살펴본 바와 같다.The first magnetic field may be a direct current magnetic field. The DC magnetic field may be formed in the static magnetic field coil unit 251 (see FIG. 11) of the
제1 자기장 방향에 의해, 자성 나노 입자(100)[자성 나노 입자(100)가 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 경우, 자기 소용돌이 코어(120)]가 동일한 방향으로 정렬될 수 있다.By the first magnetic field direction, the magnetic nanoparticles 100 (when the
자성 나노 입자(100)가 단자구 정도의 직경을 가질 때, 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 제1 자기장의 크기에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 자성 나노 입자(100)에 인가되는 제1 자기장의 크기가 증가됨에 따라 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 증가될 수 있다. When the
또한, 자성 나노 입자(100)가 자기 소용돌이 구조(110)를 가질 때, 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 자성 나노 입자(100)의 크기에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 자성 나노 입자(100)의 직경이 커짐에 따라 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 감소할 수 있다[표 1 참조].In addition, when the
또한, 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수는 자성 나노 입자(100)의 재료, 크기, 및/또는 형상에 따라 변화할 수 있다.In addition, the resonant frequency of the
이어서, (c) 단계로, 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수와 동일한 제2 자기장을 자성 나노 입자(100)에 인가할 수 있다.Subsequently, in step (c), a second magnetic field equal to the resonance frequency of the
제2 자기장은 교류 자기장 또는 펄스 자기장일 수 있다. 교류 자기장은 후술할 마그넷 시스템(250)의 RF 코일부(255)[도 11 참조]에서 형성하는 RF 펄스로 이해될 수 있다. 제2 자기장은 제1 자기장이 인가되는 방향과 소정의 각도를 가지는 방향으로 인가될 수 있고, 소정의 각도를 가지는 방향은 수직일 수 있다.The second magnetic field may be an alternating magnetic field or a pulsed magnetic field. The alternating magnetic field may be understood as an RF pulse formed by the RF coil unit 255 (see FIG. 11) of the
도 5에서 살펴본 바와 같이, 제2 자기장 인가시 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)는 강한 세차 운동과 자화 반전 등의 운동이 활발하게 일어나면서 자화축의 변화가 일어나게 된다.As shown in FIG. 5, when the second magnetic field is applied, the
이어서, (d) 단계로, 자화축의 변화가 일어나면서 선택적으로 활성화된 자성 나노 입자(100)에서는 열이 생성될 수 있다. 열의 발생은 자성 나노 입자(100)로부터 전하(charge)가 발산되거나, 복사(radiation)되거나, 또는 자성 나노 입자(100) 주변 물질, 발열 타겟 물질의 분자를 진동시킴으로써 수행될 수 있다. Subsequently, in step (d), heat may be generated in the selectively activated
한편, 자성 나노 입자(100)의 발열량(Q)은 수학식 3을 따른다.Meanwhile, the calorific value (Q) of the
[수학식 3][Equation 3]
(여기에서, ε G 는 자유 에너지의 밀도, V 는 계의 부피, ρ는 물질의 밀도, M은 입자 내 자화의 벡터량, H ext는 정자기장과 교류자기장을 더한 총 외부 자기장)(Where, ε G is the density of free energy, V is the volume of the system, ρ is the density of the material, M is the vector amount of magnetization in the particle, and H ext is the total external magnetic field plus the static and alternating magnetic fields)
수학식 3의 우변의 첫번째 텀은 자성 나노 입자의 에너지의 변화량을 의미하고, 거기에 더해진 두번째 텀은 계에 가해진 일을 뜻한다.The first term on the right side of Equation 3 refers to the amount of change in energy of the magnetic nanoparticles, and the second term added thereto refers to the work applied to the system.
한편, 종래의 기술에 따른 온열 치료로서, 20nm 미만의 크기를 가지는 초상자성(superparamagnetic) 입자에 교류 자기장만을 가하여 열적인 요동을 발생시키고, 교류 자기장의 인가를 해제하여 완화(relaxation)에 따른 발열을 이용하는 방법이 제안되었다. 이는 초상자성 입자의 히스테리시스(hysteresis) 자기 손실에 따른 에너지(히스테리시스 곡선의 넓이)를 열로 발생시키거나, 초상자성 입자의 자기 모멘트의 이완에 따른 주위 매질 또는 다른 입자와의 마찰에 의해 열을 발생(Brownian relaxation)시키는 것을 원리로 한다. 하지만 위 방법은 교류 자기장만을 가하여 자화 반전을 일으켜야 하므로, 가해지는 자기장이 수백 Oe 이상으로 매우 커져야 하며, 이는 장치의 고비용화, 대형화를 수반하는 문제점이 있다.Meanwhile, as a thermal treatment according to the prior art, thermal fluctuations are generated by applying only an alternating magnetic field to superparamagnetic particles having a size of less than 20 nm, and heat generation due to relaxation is prevented by releasing the application of the alternating magnetic field. A method of use has been proposed. This generates energy (the area of the hysteresis curve) due to the hysteresis magnetic loss of the superparamagnetic particle as heat, or by friction with the surrounding medium or other particles due to the relaxation of the magnetic moment of the superparamagnetic particle ( Brownian relaxation) is the principle. However, since the above method has to cause magnetization reversal by applying only an alternating magnetic field, the applied magnetic field must be very large, exceeding several hundred Oe, and this has a problem that increases the cost and size of the device.
반면에, 본 발명의 자성 나노 입자의 발열 방법은, 직류 자기장을 인가하여 자성 나노 입자가 공명 주파수를 가지게 한 후에, 공명 주파수와 동일한 교류 자기장을 인가하여 자성 나노 입자가 공명하며 열을 발생시킬 수 있게 하므로, 150 Oe 이하의 비교적 약한 세기 자기장만으로도 효율적으로 열을 발생시킬 수 있는 이점이 있다.On the other hand, in the heating method of the magnetic nanoparticles of the present invention, after applying a direct current magnetic field to make the magnetic nanoparticles have a resonant frequency, the magnetic nanoparticles resonate and generate heat by applying an alternating magnetic field equal to the resonance frequency. Therefore, there is an advantage that heat can be efficiently generated even with a relatively weak magnetic field of 150 Oe or less.
특히, 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자는 직경이 커질수록 점점 공명 주파수가 감소한다. 저주파를 사용할수록 저비용으로 장치의 제작이 가능해지므로, 자기 소용돌이 구조를 가지는 자성 나노 입자의 직경, 이에 따른 발열량을 고려하여 장치의 제작이 가능하다.In particular, magnetic nanoparticles having a magnetic vortex structure gradually decrease the resonant frequency as the diameter increases. Since the device can be manufactured at a lower cost as the low frequency is used, the device can be manufactured in consideration of the diameter of the magnetic nanoparticles having a magnetic vortex structure and thus the amount of heat generated.
또한, 자성 나노 입자에 가하는 직류 자기장(제1 자기장)에 따라 자성 나노 입자의 공명 주파수를 제어할 수 있으며[표 1 참조], 공명 주파수의 제어에 따라 발열량을 자유자재로 제어할 수 있다. 온열 치료에 적용할 경우, 인체에 해롭지 않은 범위 내에서 자성 나노 입자의 공명 주파수를 낮게 제어할 수도 있고, 이에 온열 치료에 이상적인 열을 발생시킬 수 있다.In addition, the resonant frequency of the magnetic nanoparticles can be controlled according to the direct current magnetic field (the first magnetic field) applied to the magnetic nanoparticles [see Table 1], and the amount of heat generated by the control of the resonance frequency can be freely controlled. When applied to thermal therapy, the resonance frequency of the magnetic nanoparticles may be controlled to be low within a range that is not harmful to the human body, thereby generating heat ideal for thermal therapy.
[자성 나노 입자의 고효율 발열을 위한 조절 요소][Control factor for highly efficient heat generation of magnetic nanoparticles]
이하에서는, 상기 자성 나노 입자의 발열 방법을 이용할 때, 다양한 관점에서 우수한 발열량을 획득하기 위한 방법을 설명한다.Hereinafter, when using the heating method of the magnetic nanoparticles, a method for obtaining an excellent heating value from various viewpoints will be described.
도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따른 다른 감쇠 상수를 가지는 자성 나노 입자에 인가하는 교류 자기장의 세기에 따른 발열량을 도시하는 그래프들이다. 직경이 각각 10nm, 20nm, 30nm인 자성 나노 입자(100)를 사용하는 한편, 감쇠 상수(α)가 각각 0.01, 0.03, 0.05, 0.07인 자성 나노 입자(100)를 사용하여 실험을 수행하였다. 도 6의 그래프에서 10nm는 □, 20nm는 ○, 30nm는 ☆로 나타낸다. 직류 자기장(제1 자기장)은 100 Oe의 세기로 인가하였다.6 are graphs showing the amount of heat generated according to the intensity of an alternating magnetic field applied to magnetic nanoparticles having different attenuation constants according to various embodiments of the present invention. The experiment was performed using
도 6을 참조하면, 교류 자기장(제2 자기장)의 주파수를 변경하여 적용한 결과, 공명 주파수(약 281MHz)에서 다른 주파수 대역보다 현저히 높은 열량이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 도 6에는 단자구 크기의 10nm, 20nm, 30nm의 자성 나노 입자(100)에 대한 공명 주파수(약 281MHz)의 교류 자기장을 적용하였으나, 자성 나노 입자(100)의 크기에 따라 [표 1]의 공명 주파수의 교류 자기장을 적용할 수 있다.Referring to FIG. 6, as a result of changing and applying the frequency of the AC magnetic field (the second magnetic field), it can be seen that a remarkably higher amount of heat is generated at the resonance frequency (about 281 MHz) than other frequency bands. In FIG. 6, an alternating magnetic field having a resonant frequency (about 281 MHz) was applied to the
또한, 감쇠 상수(α)를 다르게 한 자성 나노 입자(100)를 사용한 경우, 0.01에서 0.05까지는 공명 주파수에서의 발열량이 점차 증가하지만, 0.07에서는 감소함을 확인할 수 있다. 이에 따라, 가장 큰 발열량을 얻을 수 있는 감쇠 상수는 0.05임을 확인할 수 있다.In addition, in the case of using the
직류 자기장(제1 자기장)의 세기, 교류 자기장(제2 자기장)의 세기 및 감쇠 상수에 대하여, 이론적으로 더 설명하면 이하와 같다.The strength of the direct current magnetic field (first magnetic field), the strength of the alternating current magnetic field (second magnetic field), and the attenuation constant are theoretically further described as follows.
상기 수학식 3에서 시간이 1,000 ns 이상으로 오래 지난 후에 계가 정상 상태에 도달(dε G /dt = 0)하면, 아래 수학식 4와 같게 된다.In Equation 3, when the system reaches a steady state (d ε G /dt = 0) after a long period of time exceeding 1,000 ns, it becomes the same as
[수학식 4][Equation 4]
수학식 4의 정상 상태에서의 M 벡터를 LLG(Landau-Lifshitz-Gilbert) 식[아래 수학식 5]을 이용하여 구하고, H ext를 우리가 가하는 교류 자기장의 벡터를 대입해서 풀어내면, 수학식 6과 같은 정상 상태의 에너지 분산 
[수학식 5][Equation 5]
(여기에서, H eff는 유효 자기장(effective field), Ms는 포화 자기값(saturation magnetization value), α는 무차원 Gilbert 감쇠 상수(dimensionless Gilbert damping constant), γ는 자기 회전 비율(상수)이고, 일 예로, 구형(球形) 퍼멀로이 합금(Permalloy, Ni80Fe20)의 경우, Ms = 860 emu/cm3, γ = 2π X 2.8 radMHz/Oe)(Here, H eff is the effective field, M s is the saturation magnetization value, α is the dimensionless Gilbert damping constant, and γ is the magnetic rotation ratio (constant), For example, in the case of a spherical Permalloy alloy (Permalloy, Ni 80 Fe 20 ), M s = 860 emu/cm 3 , γ = 2π X 2.8 radMHz/Oe)
[수학식 6][Equation 6]
(여기에서, ωCCW는 가해주는 교류 자기장의 진동 각주파수(angular frequency), ωL은 공명 각주파수)(Where, ω CCW is the vibration angular frequency of the applied AC magnetic field, and ω L is the resonance angular frequency)
교류 자기장(제2 자기장)을 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수에 대응하도록 인가할 때, 즉, 수학식 6의 ωCCW에 공명 각주파수를 대입하면, 발열량의 포화(saturation) 전은 수학식 7을 따르고, 포화 후는 수학식 8을 따른다.When an alternating magnetic field (second magnetic field) is applied to correspond to the resonance frequency of the
[수학식 7][Equation 7]
HAC < αHDC H AC <αH DC
[수학식 8][Equation 8]
HAC ≥ αHDC H AC ≥ αH DC
여기서, α는 감쇠 상수, γ는 자기 회전 비율(상수), Ms는 포화 자기값(saturation magnetization value), HDC는 직류 자기장(제1 자기장)의 세기, HAC는 교류 자기장(제2 자기장)의 세기, ρ는 물질의 밀도이다.Here, α is the attenuation constant, γ is the magnetic rotation ratio (constant), M s is the saturation magnetization value, H DC is the intensity of the direct current magnetic field (first magnetic field), and H AC is the alternating magnetic field (second magnetic field). ) Intensity, ρ is the density of the material.
수학식 7, 8을 참조하면, 발열량의 포화 전에는 감쇠 상수와 발열량이 반비례 관계이나, 발열량의 포화 후에는 감쇠 상수와 발열량이 비례 관계이다.Referring to
도 7은 본 발명의 여러 실시예에 따른 다른 세기의 직류 자기장을 인가하고, 교류 자기장의 세기를 변화시켜 인가하였을 경우의 발열량을 도시하는 그래프들이다.7 is a graph showing the amount of heat generated when a direct current magnetic field of different strength is applied and the strength of an AC magnetic field is changed and applied according to various embodiments of the present invention.
도 7을 참조하면, HAC < αHDC 인 영역까지는 교류 자기장의 세기가 커짐에 따라 발열량도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 교류 자기장의 세기가 더 커져서 HAC ≥ αHDC인 영역에서는 교류 자기장의 세기와 관계없이 발열량이 일정한 것을 확인할 수 있다. 발열량이 일정한 것은 포화를 의미하므로, 인가하는 교류 자기장(제2 자기장)의 세기는 발열량이 포화되기 전까지만 인가하는 것이 가장 효율적이라고 할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the amount of heat generated increases as the intensity of the alternating magnetic field increases to a region where H AC <αH DC . In addition, it can be confirmed that the amount of heat generated is constant regardless of the strength of the AC magnetic field in the region where H AC ≥ αH DC because the AC magnetic field has a greater strength. Since the constant calorific value means saturation, it can be said that the strength of the applied alternating magnetic field (the second magnetic field) is applied only until the calorific value is saturated.
또한, 포화되는 발열량의 크기는, 수학식 8에 따라 감쇠 상수에 비례한다. 예를 들어, HDC가 100 Oe이고, α는 0.03[도 6(a)], 0.05[도 6(b)], 0.07[도 6(c)]일 때, 각각 HAC가 3 Oe, 5 Oe, 7 Oe일때 최대치의 발열량이 나타났다. 그리고, 발열량의 최대치는 감쇠 상수에 비례함을 확인할 수 있다.In addition, the amount of heat to be saturated is proportional to the attenuation constant according to
도 8은 본 발명의 여러 실시예에 따른 다른 감쇠 상수를 가지는 자성 나노 입자에 인가하는 직류 자기장의 세기에 따른 발열량을 도시하는 그래프들이다.8 are graphs showing the amount of heat generated according to the intensity of a DC magnetic field applied to magnetic nanoparticles having different attenuation constants according to various embodiments of the present invention.
도 8을 참조하면, 감쇠 상수에 관계없이 HDC가 50 Oe, 100 Oe, 150 Oe로 커질수록 발열량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이때 발열량의 크기는 감쇠 상수에 비례함을 확인할 수 있다. 포화된 발열량의 크기는, α는 0.03, HDC가 50 Oe으로 도 8의 그래프 상에서 나타나는 최소 크기가 약 10kW/g 정도이다. 종래의 기술에서 수백 Oe 세기의 자기장을 가하여도 나타나는 발열량의 최대 한계가 약 1kW/g에 불과한 점에 비교하면, 본 발명에서 구현할 수 있는 발열량은 약 10kW/g ~ 300kW/g에 이를 정도로 현저하게 클 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the amount of heat generated increases as H DC increases to 50 Oe, 100 Oe, and 150 Oe regardless of the attenuation constant. At this time, it can be seen that the amount of heat generated is proportional to the attenuation constant. The size of the saturated calorific value is about 10 kW/g as α is 0.03 and H DC is 50 Oe, and the minimum size shown on the graph of FIG. 8 is about 10 kW/g. Compared to the fact that the maximum limit of the calorific value that appears even when a magnetic field of several hundred Oe intensity is applied in the prior art is only about 1 kW/g, the calorific value that can be realized in the present invention is about 10 kW/g to 300 kW/g. It can be big.
도 6 내지 도 8의 결과를 보면, 교류 자기장의 공명 주파수, 감쇠 상수, 교류 자기장의 세기 및 직류 자기장의 세기의 관점에 따라 발열량을 자유롭게 제어할 수 있으며, 또한 그 발열량의 최대 세기가 현저하게 클 수 있음을 확인할 수 있다.6 to 8, the amount of heat generated can be freely controlled according to the resonant frequency of the AC magnetic field, the attenuation constant, the strength of the AC magnetic field, and the strength of the DC magnetic field, and the maximum intensity of the calorific value is remarkably large. You can see that you can.
[실시예][Example]
이하에서는, 본 발명의 자성 나노 입자의 발열 방법을 적용한 실시예에 대해서 설명한다. 발열이 필요한 모든 범위의 분야에 본 발명이 사용될 수 있으며, 이하의 실시예에서는 온열 치료에 적용하여 설명한다.Hereinafter, examples to which the heating method of magnetic nanoparticles of the present invention is applied will be described. The present invention can be used in all ranges of fields requiring fever, and the following examples will be described by applying it to thermal treatment.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노 입자의 발열 방법을 구현하는 장치(200)를 도시하는 개략도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그넷 시스템(250)을 도시하는 개략도이다. 9 is a schematic diagram showing an
단자구 또는 자기 소용돌이 구조(110)를 가지는 자성 나노 입자(100)를 치료 대상 부위(25)[또는, 환부(25a)]에 제공할 수 있다. 자성 나노 입자(100)의 제공은, 자성 나노 입자(100)가 질병을 가지고 있는 환자[또는, 대상체(20)]의 특정 부위에 주입되고, 대상체(20) 또는 대상체(20)의 일부가 자기 온열 치료 장치(200)의 마그넷 시스템(250) 내부로 이동함에 따라 이루어지는 것으로 이해될 수 있다. 자성 나노 입자(100)는 미세한 크기를 가지기 때문에 치료 대상 부위(25)[또는, 환부(25a)]에 균일하게 분포될 수 있다.The
온열 치료 장치(200)는 제어부(210), 조작부(230), 마그넷 시스템(250)을 포함할 수 있다. 각 구성은 도 9에 도시된 것처럼 물리적으로 분리되어 있지 않고, 통합된 하나의 구성체를 이룰 수 있다.The
제어부(210)는 마그넷 시스템(250)의 정자장 코일부(251), 경사 코일부(253), RF 코일부(255) 등을 제어할 수 있다. 그리고, 조작부(230)를 통해 전달받은 사용자로부터의 동작에 관한 명령을 해석하여 마그넷 시스템(250)을 제어할 수 있다. 그리고, 마그넷 시스템(250)에서 수신한 영상 신호를 해석하고, 이에 해당하는 영상 신호를 발생하여 조작부(230)의 디스플레이에 전달할 수 있다.The
조작부(230)는 사용자로부터 온열 치료 장치(200)의 제어를 입력받기 위한 키보드, 마우스 등의 입력 장치, 영상을 확인할 수 있는 디스플레이 등을 포함할 수 있다.The
대상체(또는, 환자)(20)는 크레들(cradle; 270)에 의해 마그넷 시스템(250) 내부로 옮겨질 수 있다. 온열 치료 장치(200)의 크기에 따라 크레들(270)은 생략도 가능하며, 마그넷 시스템(250)의 내부로 대상체(20)의 전부 또는 일부분만이 위치할 수도 있다.The object (or patient) 20 may be moved into the
도 10을 참조하면, 마그넷 시스템(250)은 정자장 코일부(251), 경사 코일부(253), RF 코일부(255)를 포함할 수 있다. 마그넷 시스템(250)은 원통 형상을 가지며, 동축을 중심축으로 하여 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 그리고, 바깥쪽에서부터 정자장 코일부(251), 경사 코일부(253), RF 코일부(255) 순서로 배치될 수 있으며, RF 코일부(255)의 내부는 대상체(20)가 위치할 수 있도록 중공 형태를 가질 수 있다.Referring to FIG. 10, the
정자장 코일부(251)는 마그넷 시스템(250) 내부에 정자장(Static Magnetic Field)[또는, 제1 자기장, 직류 자기장]을 형성할 수 있다. 정자장의 방향은 대상체(20)의 길이 방향과 평행 또는 수직일 수 있으나, 본 명세서에서는 대상체(20)의 길이 방향과 평행한 것으로 상정하여 설명한다.The static magnetic
정자장 코일부(251)는 영구 자석, 초전도 자석, 전자석 등이 이용될 수 있다. 본 발명의 자성 나노 입자의 발열 방법은, 기존의 교류 자기장만을 인가하는 장치와 같이 수 T 정도의 고자기장이 필요하지는 않으므로, 수 mT 내지 수백 mT 정도의 자기장을 형성할 수 있을 정도의 정자장 코일부(251)를 구비하면 충분하다. 따라서, 종래의 자기장을 형성하는 장치보다 장비 원가를 대폭 낮출 수 있는 이점이 있다.The static magnetic
경사 코일부(253)는 정자장에 경사(Gradient)를 발생시켜 경사자장(Gradient Field)를 형성할 수 있다. 3차원의 정보를 얻기 위해서는 X, Y, Z축 모두에 대한 경사자장이 요구되므로, 경사 코일부(253)는 세 축(253a, 253b, 253c)에 대해서 구비될 수 있다.The
반대 극성의 직류전류가 두개의 Z축 경사 코일부(253c) 각각에 반대 방향으로 흐르면 Z축 방향으로 경사자장이 형성될 수 있다. Z축 경사 코일부(253c)는 슬라이스 선택에 사용될 수 있다. 그리고, 선택된 평면 내에서 X축과 Y축 경사 코일부(253a, 253b)에 의한 경사자장이 형성될 수 있고, 주파수와 위상을 부호화 할 수 있다. 그리하여 각 스핀들의 공간 위치를 부호화(Spatial Coding) 할 수 있다.When a DC current of opposite polarity flows in opposite directions to each of the two Z-axis
RF 코일부(255)는 대상체(20) 내의 자성 나노 입자(100)를 여기하기 위한 RF 펄스[또는, 제2 자기장, 교류 자기장]를 인가할 수 있다. RF 코일부(255)는 RF 펄스를 송신하는 송신 코일 및 여기된 자성 나노 입자(100)가 방출하는 전자기파를 수신하는 수신 코일 등을 포함할 수 있다.The
직류 자기장(제1 자기장)의 인가하고, 자성 나노 입자(100)의 공명 주파수에 대응하는 교류 자기장(제2 자기장)을 인가하면, 자화축의 변화가 일어나면서 선택적으로 활성화된 자성 나노 입자(100)에서 열이 생성될 수 있다. 그리하여, 자성 나노 입자(100)가 분포된 치료 대상 부위(25)에 열이 전달될 수 있다.When a direct current magnetic field (first magnetic field) is applied and an alternating magnetic field (second magnetic field) corresponding to the resonant frequency of the
일 예로, 도 10에는 위(stomach; 25)의 위몸통 측에 암세포(25a)가 존재하는 것이 도시되어 있다. 자성 나노 입자(100)는 위(25)에서도 암세포(25a)가 있는 부분에 주입되어, 선택적, 집중적으로 분포될 수 있다. 자성 나노 입자(100)에서 생성된 열(H)은 치료 대상 부위(25)[또는, 암세포(25a)]에 5K 내지 15K의 온도 변화를 발생시킴에 따라 치료 대상 부위(25)의 암세포(25a), 종양 등을 사멸시킬 수 있다. 열(H)의 발생은 자성 나노 입자(100)로부터 전하(charge)가 발산되거나, 복사(radiation)되거나, 자성 나노 입자(100)가 치료 대상 부위(25)의 분자를 진동시킴으로써 수행될 수 있다. For example, in FIG. 10, it is shown that
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 농도, 종양의 크기에 따라 종양을 제거하는데 필요한 발열량을 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing the amount of heat required to remove a tumor according to particle concentration and tumor size according to an embodiment of the present invention.
입자에서 발생된 열(H)이 종양, 세포 등에 전달되어 일으키는 온도의 변화량(△T)은 수학식 9를 따른다. 일반적으로 종양(암세포; 25a)를 제거하기 위해 필요한 이상적인 온도 변화량(△T)은 15K이다.The amount of change in temperature (ΔT) caused by heat (H) generated from the particles is transferred to tumors, cells, etc., according to Equation 9. In general, the ideal amount of temperature change (ΔT) required to remove a tumor (cancer cell; 25a) is 15K.
[수학식 9][Equation 9]
△T = SAR·c·R2 / (3λ)△T = SAR·c·R 2 / (3λ)
[여기에서, SAR(Specific Absorption Rate; 또는 Specific Heating Power)은 교류 자기장 하에서 입자의 초당, 무게당 발열량, c는 세포에 흡착된 입자의 농도, R은 종양, 세포의 크기, λ은 열전도도로서 조직의 열전도도는 λ=0.64WK-1m-1][Here, SAR (Specific Absorption Rate; or Specific Heating Power) is the calorific value per second and weight of particles under an alternating magnetic field, c is the concentration of particles adsorbed to the cell, R is the tumor, the size of the cell, and λ is the thermal conductivity. The thermal conductivity of the tissue is λ=0.64WK -1 m -1 ]
도 11을 참조하면, 소정의 온도 변화량(△T)을 달성하기 위해서는, 고농도(c)로 입자[자성 나노 입자(100)]를 흡착시키거나 발열량(SAR)을 높이는 것을 고려할 수 있다. 특히, 효과적인 종양 치료를 위해서는 10mm 이상의 크기(R)를 가진 종양에 대해서도 치료가 가능해야 한다. 현재 암세포에 고농도로 입자를 흡착시키기는 쉽지 않은 실정이므로, 농도(c)는 낮을수록 바람직하며, 결국 수학식 9에 따르면, 발열량(SAR)을 높이는 것이 온도 변화량을 제어하는 주된 요소가 될 수 있다. 도 11에 도시된 바에 따르면, 1mg/cm3의 농도로 입자를 흡착하여 10mm 이상의 크기(R)를 가진 종양을 치료하기 위해서는 최소한 0.1kW/g의 발열량(SAR)을 필요로 하며, 바람직하게는 2kW/g의 발열량(SAR)을 필요로 한다. 종래의 기술에서는 수백 Oe 세기의 자기장을 가하여도 나타나는 발열량의 최대 한계가 약 1kW/g에 불과하였지만, 본 발명은 도 7 및 도 8에서 상술한 바와 같이, 약 10kW/g ~ 300kW/g에 이르는 최대 발열량을 구현할 수 있으며, 교류 자기장의 공명 주파수, 감쇠 상수, 교류 자기장의 세기 및 직류 자기장의 세기를 조절하면, 2kW/g보다 큰 발열량도 충분히 구현할 수 있다.Referring to FIG. 11, in order to achieve a predetermined amount of temperature change (ΔT), it may be considered to adsorb particles (magnetic nanoparticles 100) at a high concentration (c) or increase the calorific value (SAR). In particular, for effective tumor treatment, it should be possible to treat tumors with a size (R) of 10 mm or more. Currently, it is not easy to adsorb particles at a high concentration on cancer cells, so the lower the concentration (c) is, the more preferable, and in the end, according to Equation 9, increasing the calorific value (SAR) can be the main factor controlling the amount of temperature change. . As shown in FIG. 11, in order to treat a tumor having a size (R) of 10 mm or more by adsorbing particles at a concentration of 1 mg/cm 3 , a calorific value (SAR) of at least 0.1 kW/g is required, and preferably It requires a heating value (SAR) of 2kW/g. In the prior art, the maximum limit of the amount of heat generated even when a magnetic field of several hundred Oe intensity is applied is only about 1 kW/g, but the present invention reaches about 10 kW/g to 300 kW/g as described above in FIGS. 7 and 8. The maximum calorific value can be realized, and if the resonant frequency of the AC magnetic field, the attenuation constant, the strength of the AC magnetic field, and the strength of the DC magnetic field are adjusted, a calorific value greater than 2 kW/g can be sufficiently realized.
이에 따라, 저자기장, 저비용, 소형화 장치로도 온열 치료에 이상적인 열을 발생시킬 수 있고, 저농도의 자성 나노 입자를 이용하여 신체 내부의 치료 대상 부위에 효과적으로 열을 전달할 수 있는 이점이 있다. 또한, 직류 자기장에 따라 자성 나노 입자의 공명 주파수를 제어할 수 있고, 공명 주파수에 따른 발열량을 제어할 수 있으므로, 치료 대상 부위의 특성을 고려하여 온도를 조절할 수 있는 이점이 있다. Accordingly, it is possible to generate ideal heat for thermal treatment even with a low-length, low-cost, and miniaturized device, and there is an advantage in that heat can be effectively transferred to a target area inside the body by using low-concentration magnetic nanoparticles. In addition, since the resonant frequency of the magnetic nanoparticles can be controlled according to the DC magnetic field and the amount of heat generated according to the resonant frequency can be controlled, there is an advantage in that the temperature can be adjusted in consideration of the characteristics of the area to be treated.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been shown and described with reference to a preferred embodiment as described above, it is not limited to the above embodiment, and within the scope not departing from the spirit of the present invention, various It can be transformed and changed. Such modifications and variations should be viewed as falling within the scope of the present invention and the appended claims.
100: 자성 나노 입자
110: 자기 소용돌이 구조
120: 자기 소용돌이 코어 성분
130: 수평 자화 성분
140: 나선 자화 성분
200: 온열 치료 장치
210: 제어부
230: 조작부
250: 마그넷 시스템
251: 정자장 코일부
253: 경사 코일부
255: RF 코일부 100: magnetic nanoparticles
110: magnetic vortex structure
120: magnetic vortex core component
130: horizontal magnetization component
140: spiral magnetization component
200: thermotherapy device
210: control unit
230: control panel
250: magnet system
251: static magnetic field coil unit
253: gradient coil unit
255: RF coil unit
Claims (15)
(b) 상기 자성 나노 입자가 공명 주파수를 가지도록, 직류 자기장인 제1 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계; 및
(c) 상기 공명 주파수를 가지는 교류 자기장 또는 펄스 자기장인 제2 자기장을 상기 자성 나노 입자에 인가하는 단계
를 포함하고,
(c) 단계에서 상기 자성 나노 입자가 발열되고,
상기 자성 나노 입자의 발열량은,
(1) 상기 제1 자기장의 세기와 상기 자성 나노 입자의 감쇠 상수의 곱보다 제2 자기장의 세기가 작을 때까지 증가하며[HAC < αHDC ; α는 감쇠 상수, HDC는 제1 자기장의 세기, HAC는 제2 자기장의 세기],
(2) 상기 제1 자기장의 세기와 상기 자성 나노 입자의 감쇠 상수의 곱보다 제2 자기장의 세기가 크면 포화(saturation)되며[HAC > αHDC],
포화(saturation)되기 전까지의 발열량은 상기 제1 자기장의 세기와 상기 자성 나노 입자의 감쇠 상수의 곱에 비례하고,
제1 자기장의 세기를 조절하여 포화되는 발열량의 최대치를 조절하는, 자성 나노 입자의 발열 방법.(a) providing magnetic nanoparticles;
(b) applying a first magnetic field, which is a direct current magnetic field, to the magnetic nanoparticles so that the magnetic nanoparticles have a resonance frequency; And
(c) applying a second magnetic field that is an alternating magnetic field or a pulsed magnetic field having the resonant frequency to the magnetic nanoparticles
Including,
In step (c), the magnetic nanoparticles are heated,
The calorific value of the magnetic nanoparticles,
(1) It increases until the strength of the second magnetic field is smaller than the product of the strength of the first magnetic field and the attenuation constant of the magnetic nanoparticles [H AC <αH DC ; α is the attenuation constant, H DC is the strength of the first magnetic field, H AC is the strength of the second magnetic field],
(2) If the strength of the second magnetic field is greater than the product of the strength of the first magnetic field and the attenuation constant of the magnetic nanoparticles, saturation is performed [H AC > αH DC ],
The amount of heat generated before saturation is proportional to the product of the strength of the first magnetic field and the attenuation constant of the magnetic nanoparticles,
A method of heating magnetic nanoparticles by controlling the intensity of the first magnetic field to control the maximum value of the amount of heat to be saturated.
상기 포화되기 전까지의 자성 나노 입자의 발열량 QRES는,
[α는 감쇠 상수, γ는 자기 회전 비율(상수), Ms는 포화 자기값(saturation magnetization value), HDC는 제1 자기장의 세기, HAC는 제2 자기장의 세기, ρ는 물질의 밀도]
로 나타나는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 1,
The heating value Q RES of the magnetic nanoparticles before saturation is,
[α is the attenuation constant, γ is the magnetic rotation ratio (constant), M s is the saturation magnetization value, H DC is the strength of the first magnetic field, H AC is the strength of the second magnetic field, and ρ is the density of the material. ]
Represented by, the heating method of magnetic nanoparticles.
포화된 후의 자성 나노 입자의 발열량 QRES는,
[α는 감쇠 상수, γ는 자기 회전 비율(상수), Ms는 포화 자기값(saturation magnetization value), HDC는 제1 자기장의 세기, HAC는 제2 자기장의 세기, ρ는 물질의 밀도]
로 나타나는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 1,
The calorific value Q RES of the magnetic nanoparticles after saturation is,
[α is the attenuation constant, γ is the magnetic rotation ratio (constant), M s is the saturation magnetization value, H DC is the strength of the first magnetic field, H AC is the strength of the second magnetic field, and ρ is the density of the material. ]
Represented by, the heating method of magnetic nanoparticles.
상기 자성 나노 입자의 감쇠 상수는 0.01 내지 0.07인, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 1,
The attenuation constant of the magnetic nanoparticles is 0.01 to 0.07, the heating method of the magnetic nanoparticles.
상기 자성 나노 입자는 1nm 이상, 40nm 미만의 직경을 가지는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 1,
The magnetic nanoparticles have a diameter of 1 nm or more and less than 40 nm, the method of heating magnetic nanoparticles.
상기 자성 나노 입자는 40nm 이상, 500nm 미만의 직경을 가지는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 1,
The magnetic nanoparticles have a diameter of 40nm or more and less than 500nm, the heating method of the magnetic nanoparticles.
상기 자성 나노 입자는, 자기 소용돌이 코어 성분, 수평 자화 성분 및 나선 자화 성분을 포함하는 자기 소용돌이 구조(Magnetic Vortex Structure)를 가지는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 8,
The magnetic nanoparticles have a magnetic vortex structure including a magnetic vortex core component, a horizontal magnetization component, and a helical magnetization component.
상기 제2 자기장은 상기 제1 자기장이 인가되는 방향과 소정의 각도를 가지는 방향으로 인가되는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 1,
The second magnetic field is applied in a direction having a predetermined angle to a direction in which the first magnetic field is applied.
상기 자성 나노 입자의 상기 공명 주파수는 상기 제1 자기장의 크기에 따라 변화하는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 7,
The resonant frequency of the magnetic nanoparticles is changed according to the size of the first magnetic field, the heating method of the magnetic nanoparticles.
상기 자성 나노 입자의 상기 공명 주파수는 상기 자성 나노 입자의 크기에 따라 변화하는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 8,
The resonant frequency of the magnetic nanoparticles is changed according to the size of the magnetic nanoparticles, the heating method of the magnetic nanoparticles.
상기 자성 나노 입자는 Permalloy(Ni80Fe20), Maghemite(γ-Fe2O3), Magnetite(γ-Fe3O4), BariumFerrite(BaxFeyOz; x, y, z는 임의의 조성) 및 CoFe2O4 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 자성 나노 입자의 발열 방법.The method of claim 1,
The magnetic nanoparticles are Permalloy (Ni 80 Fe 20 ), Maghemite (γ-Fe 2 O 3 ), Magnetite (γ-Fe 3 O 4 ), BariumFerrite (Ba x Fe y O z ; x, y, z are arbitrary Composition) and CoFe 2 O 4 , including at least one of, the heating method of magnetic nanoparticles.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180107770A KR102172017B1 (en) | 2018-09-10 | 2018-09-10 | Heating method of magnetic nano particles |
Applications Claiming Priority (1)
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Non-Patent Citations (1)
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| 김기수 등, 저자장 자기공명영상 시스템 내에서 초상자성 나노입자 온열치료를 위한 발열 평가, Journal of Biomedical Engineering Research 35, 2014.,105-110p.* |
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