Authors:	Baun, Olga
Title:	Entwicklung eines Permanentmagnetsystems zur Führung und Bildgebung magnetischer Partikel
Online publication date:	10-Jun-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Magnetische Nanopartikel gelten als vielversprechende Kandidaten in medizinischen Anwendungen wie Diagnostik und Therapie. Beispielsweise dienen sie als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie und können als Trägersysteme von Therapeutika eingesetzt werden. Speziell in der Behandlung von Tumorzellen, wäre es wünschenswert durch das Anlegen äußerer Magnetfelder Nanopartikel gezielt am Wirkort zu akkumulieren und somit Nebenwirkungen der Arzneimittel zu verringern. Für dieses sogenannte magnetic drug targeting, werden genügend starke Gradientenfelder benötigt, um magnetische Nanopartikel entlang verschiedener Trajektorien über ein großes Volumen berührungsfrei zu steuern. Dies stellt jedoch eine der größten Hürden dieses Verfahrens dar, da die magnetische Kraft mit dem Volumen der verwendeten Partikel und dem Gradientenfeld, welches mit 1/x^4, skaliert. In dieser Dissertation wird ein System aus Permanentmagneten vorgestellt, welches ein starkes homogenes (B0) und ein linear ansteigendes Magnetfeld (dB/dr=G) überlagert, in dem Partikel magnetisiert und gleichzeitig durch eine magnetische Kraft gesteuert werden. Experimentell wurde dieses Konzept durch eine koaxiale Anordnung von Halbach-Magneten realisiert. Ein Halbach-Dipol sorgt dabei für die Magnetisierung und Orientierung der Nanokristalle und ein Quadrupolfeld für die Erzeugung der Kraft. Ist das dipolare Feld dabei stärker als das Quadrupolfeld an einer bestimmten Stelle, erzeugt fast ausschließlich die Komponente parallel zum B0-Feld die Kraft, welche in ihrer Richtung variiert werden kann. Die resultierte, lokale Kraft wurde analytisch für diese spezielle Geometrie berechnet und für unterschiedliche Designs diskutiert. Der einfachste Fall, ein System aus einem Halbach-Dipol (B0=0,1 T) und einem Halbach-Quadrupol (G=0,13 T/m) steuert die Richtung, was in einer Proof-of-Principle Demonstration verifiziert werden konnte. Die spezielle Bewegung, der im System gebildeten Partikelketten von Mikropartikeln, konnte unter einem Mikroskop beobachtet werden. Diese wiesen dabei viel höhere Geschwindigkeiten als theoretisch für ein einzelnes Partikel erwartet auf. Um zusätzlich auch die Stärke der magnetischen Kraft zu beeinflussen, konnte mit einem ersten Prototypen aus einem Halbach-Dipol (B0=0,3 T) und zwei Halbach-Quadrupolen die Gradientenstärke von G=0 bis 2,0 T/m und folglich auch die Kraft skaliert werden. Mit diesem System wurden unterschiedlich große Nanopartikel (100 nm bis 20 nm) mit Geschwindigkeiten von 60 mm/s bis 12 mm/s in einer Ebene bewegt und fokussiert. Gleichzeitig diente dieser Aufbau für einen ersten Test, in dem dasselbe Gerät als MR-Scanner zur Bildaufnahme der Position magnetischer Partikel genutzt werden kann. Magnetic nanoparticles are considered to be promising candidates in medical applications such as diagnostics and therapy. For example, they serve as contrast agents in magnetic resonance imaging and can be used as therapeutic carrier systems. Especially, the treatment of tumor cells, would benefit from accumulation in regions of disease by applying an external magnetic field and thus reduces side effects of the drugs. To make this so-called magnetic drug targeting (MDT) clinically applicable, sufficiently strong gradient fields are needed to control magnetic nanoparticles along different trajectories over a large volume without contact. However, this poses one of the biggest hurdles in the range of MDT, as the magnetic force scales with the volume of particles used and the gradient field which declines with 1/x^4 for a single distant source. In this thesis, a system of permanent magnets is presented, which superimposes a strong homogeneous (B0) and a linearly increasing magnetic field (dB/dr=G), in which particles are magnetized and simultaneously controlled by a magnetic force. Experimentally, this concept was realized by a coaxial arrangement of Halbach magnets. A Halbach dipole provides a homogenous field to magnetize and orientate nanocrystals and a quadrupole field creates the magnetic force. If the dipolar field is stronger than the quadrupole field at a certain distance, almost exclusively the component parallel to the B0-field genereates the force, which then can be varied in direction. The resulting local force was calculated analytically for this particular geometry and discussed for different designs. The simplest case, a system of a Halbach dipole (B0=0,1 T) and a Halbach quadrupole (G=0,13 T/m) controls the direction, which was verified in a proof-of-principle demonstration.. The specific motion, of the particle chains of microparticles formed in the system, could be observed under a microscope. This chains exhibited much higher velocitiy rates than expected theoretically for single particles. In order to modify not only direction but also strength of the magnetic force, a first prototype of a Halbach dipole (B0=0.3 T) and two Halbach quadrupoles, the gradient strength could be scaled from G=0 to 2.0 T/m, and hence also the force. With this system, different sized nanoparticles (100 nm to 20 nm) could be moved and focused in one plane at speeds of 60 mm/s to 12 mm/s. At the same time, this setup served as a first test to use the instrument as an MR scanner and thus to aquire an image of particle position which can be altered by the same device.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1980
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000028122
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VII, 152 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen