磁外科技术在创伤领域的应用研究及展望

随着磁力和磁性材料的迅速发展及其在医学中的应用,外科领域产生了一个崭新的分支——磁外科.磁外科包括磁压榨、磁锚定、磁导航、磁示踪、磁悬浮等多项技术,在创伤救治领域中显示出极大优势.本文详细阐述磁相关技术的原理及优势,综述磁力和磁性材料在消化道重建、创伤后压迫止血、血管快速重建、骨折内固定等创伤治疗领域的研究现状和优缺点,并介绍磁外科技术在创伤领域的应用前景.     

磁外科技术在泌尿、妇产科中的应用进展

磁外科(磁外科学)是近年来建立的交叉性学科,经过不断革新与发展,现已初步形成磁外科学体系,主要包括磁压榨、磁锚定、磁导航、磁悬浮、磁示踪技术.特别是在消化道疾病诊疗和手术中,磁外科技术的应用高速发展,日趋成熟.泌尿、妇产科也在自身发展过程中不断吸收和融合磁压榨、磁锚定及磁导航技术原理,在创新诊疗方式、设计医疗器械、改进医疗操作等方面进行了一些探索,使得泌尿科及妇产科诊疗更为便捷、微创、精准、安全.但总体而言,磁技术在泌尿、妇产科的应用范围比较局限,基础研究薄弱,临床数据匮乏,发展进程较缓,至今在磁悬浮和磁示踪技术方面仍是空白.基于此,本文总结磁外科技术在泌尿、妇产科中的发展现状和应用进展,为临床和基础创新提供方向,以进一步融合、完善学科体系,促进磁外科与泌尿、妇产科的交互式发展.     

磁导航技术的发展与临床应用

21世纪以来,随着工业化水平的不断提高,我们对磁导航系统进行了不断改造,计算机辅助技术、影像学技术等多学科的交叉融合,促进了磁导航技术的广泛应用.目前,该技术在心脑血管、消化道和呼吸道的导航中表现出极大的优势.磁导航手术系统作为该技术的操作平台,是多学科技术优化整合的产物.该系统的概念最初于1984年提出,历经四代产品的不断发展,其功能更加完善.与传统操作相比,磁导航技术创伤小、操作简单、治疗效果显著,有效地解决了操作中的空间位阻难题,实现了常规介入手段无法完成的操作.近年来,多中心的临床应用研究表明,磁导航下的血管介入具有更高的成功率,对于复杂病变更具有优势;磁控胶囊内镜明显缩短了检查时间,其检查适应症也进一步拓展;磁导航支气管镜提高肺外周病变的诊断率,在肺外周病变的定位与药物投送中发挥重要作用.尽管磁导航技术具有巨大的优势,但依然存在很多局限性:磁导航技术的应用有一定的适应症,对体内金属植入物可能造成不良影响.典型的梯度磁场无法实现对响应装置的更精确控制,磁控胶囊内镜的观察存在一定的视觉盲区,尚不能实现常规内镜下的治疗性操作.目前,该技术的研究方向集中在控制方式的探索、响应装置的设计以及应用范围的进一步扩展.例如,近年来出现的闭环控制方式、胶囊内镜针刺结构的植入等,以期待实现对响应装置更精确的控制与更多的内镜下操作.本文通过对磁导航技术发展过程的回顾,对其临床应用进行综述.     

基于磁性纳米材料的肿瘤磁热疗研究进展

磁热疗是一种新型的肿瘤物理治疗方法,是肿瘤纳米医学范畴的重要研究内容之一,相对于传统的肿瘤热疗,具有低毒、可控等优势,已被证明其在临床肿瘤治疗中具有巨大应用潜力.然而当前纳米氧化铁热疗剂磁热转换效率低、纳米靶向递送效率不足,以及磁场发生设备的限制等问题,严重制约了肿瘤治疗效果.随着纳米材料合成技术的快速发展以及人们对于磁性纳米材料生物学效应的深入理解,以四氧化三铁为代表的磁性纳米材料作为可介导外场的新型智能材料在肿瘤磁热疗应用方面取得了长足的发展.鉴于此,本文围绕如何提高肿瘤磁热疗效,从磁性纳米材料的产热机制、优化磁热剂转换效率、提高磁纳米制剂的肿瘤靶向性、肿瘤磁热疗应用以及磁场发生设备等方面展开讨论,综述了基于磁性纳米材料的肿瘤磁热疗最新研究进展.     

红条毛肤石鳖齿舌牙齿内的纳米磁性矿物质

生物矿化是自然界常见的生物现象，而石鳖齿舌是磁性生物矿化研究中极其有意义的研究对象之一。利用高分辨透射电子显微镜、扫描电子显微镜、磁力显微镜以及超导量子磁强计磁测量装置，从磁学的角度探讨了红条毛肤石鳖齿舌成熟的主要横向牙齿内的纳米磁性矿物质的成分、结构分布与易磁化方向、磁畴结构的关系，旨在为理解磁性生物矿化齿舌的生物功能提供依据。     

纳米材料介导的磁技术在外科疾病诊疗中的应用前景

外科技术的发展使得手术禁区逐渐减少,以往不能解决的许多病症采用新技术即可得到有效治疗.飞速发展的纳米材料和技术为外科的发展提供给了新的工具和方法.根据医学临床应用的需要,材料科学家们已经设计和开发出各种具有特殊功能和结构的纳米材料,实现传统材料难以达到的性能.其中,磁性纳米材料具有独特的磁学特性以及远程非接触式磁场可控的能力,在生物医学领域展现了巨大的应用潜力,是外科应用的一个不可或缺的重要发展方向.本文将聚焦于基于纳米材料的磁技术在外科疾病诊疗中的应用前景,主要从以下几个方面进行论述:医用磁性纳米材料的概述;纳米材料介导的磁技术在外科疾病诊断中的研究进展;纳米材料介导的磁技术在外科疾病治疗中的研究进展.     

磁小体蛋白介导磁性纳米颗粒仿生合成

趋磁细菌磁小体是由生物膜包裹且呈链状排列的磁性纳米颗粒,磁小体通过生物矿化形成的磁性纳米颗粒具有规则的形状、均一的粒径及较高的结晶度,引起了研究者的广泛关注.磁小体膜由磷脂和脂肪酸组成,磁小体膜脂质囊泡实际上是一个控制磁性纳米颗粒精确合成的纳米反应器.磁小体膜内的一系列生物矿化蛋白控制着铁的转运、铁的氧化还原、磁性纳米颗粒的形核以及生长.目前,磁小体生物矿化的具体机制尚未明确且磁小体难以实现规模化生产,因此引发了人们对仿生合成磁小体的研究.体内研究显示,磁小体蛋白如Mms6、MamC、MmsF、MamG和MamD对磁小体的尺寸和形貌具有重要的调控作用,被认定为用于仿生合成磁小体的最好候选蛋白.一些工作已经对源于趋磁细菌的Mms6、MamC、MmsF等重组蛋白介导的磁性纳米颗粒的仿生合成进行了研究.这些研究不仅能够帮助我们更好地理解磁小体的生物矿化过程,而且能够制备出高质量的类磁小体磁性纳米颗粒.本文重点综述了几种重要的磁小体蛋白在介导磁性纳米颗粒仿生合成方面的研究进展,并对其未来发展进行了展望.     

强磁场在介入医学中的应用

强磁场技术被越来越多地应用于介入治疗中.强磁场介入技术,即通过体外可变磁场遥控操纵位于体内带有磁性物质(药物或导管或支架等)来实现介入诊疗的大型集成化医疗技术.通过该技术可以实现在定向精准给药和快速定位治疗,这给治疗带来了极大的便利,也提高了治疗效率.用于心脏血管治疗的心脏介入磁导航系统是近年来兴起的新型介入导航系统,其通过外源性磁场指引下的遥控操纵技术,可完全避免传统手工操作引起的心脏穿孔等严重并发症,大幅缩短培训周期、减少X射线辐射,通过互联网系统更可实现远程介入诊疗和专家系统.磁性纳米颗粒由于其本征的磁性,既可以作为药物载体在强磁场作用下定向施药,又可以用作MRI的T2显影剂,作为介入治疗的辅助手段.通过类似核壳结构的精巧纳米结构挂载其余影像学显影剂,可以制备磁性纳米颗粒多重显影剂.本文将详细介绍近年来使用磁性纳米颗粒制备MRI用T1-T2联合显影剂以及MRI和PET/SPECT联合显影剂的研究进展.此外,基于磁共振成像的介入治疗技术以其独特的优势在医学介入治疗领域得到广泛关注.相应的技术手段大体上可以分为这样的几个方面:电磁非兼容介入治疗,即将治疗器械放置在远离磁共振的区域进行手术,之后将病人移入成像区成像观测;电磁兼容介入治疗,即应用电磁兼容材料制造手术器械,将手术装置和驱动装置都设计成电磁兼容模式;电磁驱动介入治疗,即利用磁共振梯度或者射频磁场的力学驱动特性来驱动手术器械,实现驱动和治疗全部自动化.     

天然磁靶向纳米药物载体磁小体研究进展

磁小体是一类存在于趋磁细菌体内,表面由脂质双分子层包裹,对磁场具有敏感性的纳米级单磁畴晶体.凭借其良好的生物相容性及表面可修饰等显著优势,可作为一种新型的天然磁性纳米载体应用于多种生物活性物质的固定负载,在靶向治疗方面有着广阔的应用前景.本文主要介绍了天然磁小体的来源及较人造磁性纳米颗粒的结构优势,概括了磁小体用作药物靶向载体的最新研究进展,并在此基础上探讨了磁小体载药研究中存在的问题及其发展前景.     

封面说明

正随着磁材料的不断发展,在外科领域利用磁性装置进行技术创新和革新越来越多,其中某些技术显示出极大的优越性和颠覆性,有大幅优化并部分取代传统技术的趋势.磁材料的改良、磁性装置在外科领域的广泛应用推动了外科技术的发展,逐渐形成了一个新的学科萌芽——磁     

浅谈磁制冷技术的应用与发展

本文主要从磁制冷的原理及特点、常用磁制冷循环、磁制冷的应用以及磁制冷技术的历史和发展进行阐述.     

化学镀钴基垂直磁化膜的磁力显微镜研究

垂直磁记录是一种高密度的磁记录方式.从实用的角度出发,逢坂弥哲在1981年提出了用化学镀方法制备CoNiMnP垂直磁化膜;薄膜的磁结构对其磁记录性能具有直接影响.磁力显微镜(MFM)是扫描探针显微术(SPM)的一种,通过控制磁性针尖在样品表面的扫描可获得表面磁场信息,它被较多地应用于研究磁头和磁盘或其他存储介质上的数据位结构,例如数据位的大小和形状、介质噪音、重写和材料承受高密度存储的能力,获得有关磁头性能及存储介质质量的的信息,分辨率优于25nm.MFM的一个主要优点是不需要特殊的样品制备技术,甚至样品表面可以裹镀非磁性薄层.我们根据多年研究制定的工艺参数,镀制了几种不同的CoNiMnP膜,对其形貌、磁性能等作了观察和分析,并用MFM观察和分析了这     

磁光Bragg衍射中的接地效应

使用表面磁导率法得到任意偏置磁化金属覆层波导中的静磁波传播方程, 并结合磁光理论分析了接地效应对基于静磁表面波的磁光Bragg衍射的影响. 计算表明, 通过恰当设置金属与磁性YIG薄膜间距可以大幅提高磁光衍射效率; 而调整偏置磁场方向还可以进一步增强接地效应对磁光衍射的影响; 同时分析发现, 由接地效应引起的衍射效率峰值对应的频率点与静磁表面波零色散点基本重合, 即表现出弱色散特性; 而该效应也可提高基于磁光Bragg单元的射频频谱分析能力. 因此, 接地结构的磁光衍射器件在微波通信、光信号处理等方面具有广泛的应用前景.     

磁性氧化铁纳米粒子的研究进展

随着纳米科学的不断发展, 人们对纳米材料的性能提出了越来越高的要求. 磁性纳米粒子由于其特殊的超顺磁性, 因而在巨磁电阻、磁性液体和磁记录、软磁、永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探测器等方面具有广阔的应用前景[1,2]. 氧化铁(包括α-Fe2O3, γ-Fe2O3, Fe3O4)作为一种磁性原料, 无论在工业生产还是科学研究中都备受瞩目, 将磁性氧化铁制备成具有特殊性能的纳米颗粒已引起了科研人员的极大兴趣及广泛关注. 近年来, 被广泛应用于制备磁性氧化铁纳米粒子及其复合材料的基本方法有溶胶-凝胶法[3](sol-gel法)、强迫水解法[4…     

趋磁细菌Magnetospirillum magneticum AMB-1全细胞和纯化磁小体的磁学比较研究

趋磁细菌磁小体化石是湖泊海洋沉积物的重要磁性载体和古环境替代性指标. 对纯培养趋磁细菌Magnetospirillum magneticum AMB-1的全细胞样品和纯化磁小体样品的磁学和电子显微镜分析结果表明: AMB-1合成的磁小体是单畴磁铁矿, 它们在胞内呈片段状的单链排列(由3~5条短链组成). 全细胞和纯化磁小体样品之间的磁学性质的显著差异主要由静磁相互作用(与磁小体的空间排列有关)造成. 对于全细胞样品, 链内磁小体间的静磁相互作用强, 而链间的静磁相互作用弱, 其?比值为3.0; 对于纯化磁小体样品, 磁小体链的坍塌聚集导致链间和颗粒间的静磁相互作用都明显增强, 导致样品的矫顽力降低, ?比值降至1.5. 这些结果对于认识磁小体化石的古地磁学和环境磁学意义以及拓展磁小体在生物材料方面的应用具有参考价值.     

巨磁电阻效应

巨磁电阻效应具有重要的基础研究意义,又有宽广的应用背景.本文将综述铁磁金属与合金的各向异性磁电阻效应,磁性多层膜、颗粒膜、钙钛石型化合物薄膜以及磁性隧道结的巨磁电阻效应.巨磁电阻效应的物理机理在于传导电子自旋平行与反平行局域磁化矢量具有不同的散射几率.磁学与电子学的结合开拓了新的磁电子学研究领域.     

电场调控铁电/铁磁异质结构的磁性

随着大数据时代的到来,具有非易失性、高读写速度、高存储密度、低功耗和微型化的存储器成为了未来信息存储发展的主要趋势.尽管有多种信息存储方式,利用磁性材料磁化翻转的磁存储依然是当下信息存储的主体.在磁信息存储的过程中,相比于磁场和电流驱动的磁化翻转,在铁电/铁磁异质结构中利用电场调控铁磁性材料的磁化翻转具有高存储密度、低能耗、局域化和高效率等优点.铁电/铁磁异质结构磁性的电场调控也因此成为了当前研究的热点之一.本文系统地回顾了兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室在铁电/铁磁异质结构的磁电耦合效应研究方向的进展:实现了电场作用下铁磁层材料磁矩的挥发性或非挥发性翻转,多态高密度存储,外延单晶铁磁层薄膜磁性的多场调控,磁化动力学性能以及自旋波(磁子)的电场效应,并讨论了未来多场可控自旋电子学的发展趋势.     

磁外科学体系的探索与建立

21世纪外科学领域利用磁性装置进行技术创新和革新的报道越来越多,其中某些技术显示出极大的优越性和颠覆性,有取代传统技术的趋势.主要体现在两个方面:一方面,部分先进的磁外科创新技术可极大地简化现有手术操作过程、降低操作难度、缩短操作时间、提高治疗效果;另一方面借助先进的磁外科技术,对一些临床疾病的治疗模式和观念产生了颠覆性的改变.然而,就目前世界各地的相关研究现状来看,存在着很多关键共性瓶颈问题,比如:基础研究薄弱,核心关键问题未能系统突破,理工科先进技术交叉、渗透、融合不充分,科学概念及临床应用规范未建立等.我国医学界虽然涉足磁外科技术开发领域较晚,但却在磁外科方面进行了相对系统化的研究,产生了一系列国际首创技术,尤其是在理论创新和学科化建设方面走在了世界前列,承担起了世界磁外科领跑者的角色.本文以创建国际磁外科体系为主线,评述磁外科发展现状和基础;对磁外科发展阶段进行科学划分;明确提出了磁外科临床应用五大体系并建立相应的概念;提出通过跨学科交叉整合的方法来创建磁外科学体系.以求夯实磁外科基础研究、建立磁外科理论体系、规范磁外科临床研究、强化磁性材料、生物力学和临床诊疗技术深度交叉融合,凝聚稀土金属材料专家、生物力学专家和临床医生的智慧,全面建立磁外科学理论体系并开展临床应用研究,从而促进磁外科快速科学发展,造福人类健康.     

北京首钢工业区大气重金属污染树叶的磁学响应

在北京西郊首钢工业区及附近混杂的居民区、公园绿地和农村耕作区采集了55个一年生的树叶样品, 并对其进行岩石磁学和元素含量分析. 结果表明: 磁性矿物的含量和粒径由污染源区向周边递减. 研究区域树叶的磁性由低矫顽力的磁铁矿主导. 进一步研究表明样品的主要磁性参数(磁化率、非磁滞剩磁以及饱和等温剩磁)与元素Fe, Pb, Cr, V和Zn呈显著相关关系(0.73≤R≤0.88). 因此树叶的磁参数可以作为大气重金属污染研究的理想替代指标.     

南海新生代洋壳扩张与深部演化的磁异常记录

系统剖析了近年来南海磁异常方面的研究成果并对相关认识进行讨论.南海磁异常记录了丰富的中生代-新生代构造演化信息,磁异常三维解析信号模准确刻画了南海两侧陆缘中生界的残留展布与新生代晚期岩浆活动,同时清晰揭示了海盆内部不同构造次单元之间的过渡关系及分区特征.对多种地球物理资料的综合分析进一步确定了海陆过渡边界(COB)的位置,认为重力正值区与负值区之间的过渡带基本代表了COB,这对合理认识洋壳扩张引起的磁条带的空间展布范围有重要意义.南海COB的复杂性以及磁异常分区特征要求引入中南转换断裂带以及多期次扩张模式,而在东部和西南次海盆内部,磁条带连续性非常好,没有显示大型转换断裂的存在.通过带通滤波处理突出洋壳磁异常并根据磁倒转年表CK95,在南海北部陆缘鉴别出可能最老的磁异常C12,而南部陆缘的洋壳磁异常模糊并缺失C12,显示出早期扩张中的非对称性,残留洋中脊北侧的扩张速率略大于南侧的扩张速率.C8(M1与M2)磁异常(约26Ma)是南海海盆内部的重要磁边界,可能代表了扩张速率和岩浆活动强度的变化,而前人认为的C7后的扩张轴跃迁的证据并不明显.西南次海盆的扩张时间需要结合高分辨率近海底深拖磁异常观测和大洋钻探来最终确定.磁异常频谱分析表明海盆内部居里点最浅的区域是西南次海盆的东部,而在东部次海盆,残留洋中脊北侧的居里点深度明显小于南侧的居里点深度,这些差异可能都与晚期岩浆活动有关.南海北部海陆过渡区域存在的磁异常相对平稳区域与传统洋壳磁静区的概念不同,可能与居里面变浅及磁性层变薄有关,但综合分析表明更可能是由于较厚的中生界残留所致.采用不同截止波长的低通滤波后的航测和海测磁异常与卫星磁异常之间具有很高的相似性,表明深部(下地壳与上地幔顶部)磁性层对近地表观测的磁异常有贡献,这一认识与居里点深度的反演结果吻合.南海北部磁异常高带在低通滤波后磁异常以及卫星磁异常图中更加突出,表明其主要的磁源体的埋深很大.