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CN111840810A - 一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法 - Google Patents

一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法 Download PDF

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Abstract

一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，涉及肿瘤光热疗法技术领域。本发明的目的是要解决肿瘤光热疗法中如何在保障热疗有效性的同时、减少正常生物组织受损范围的问题。方法：计算符合要求的纳米颗粒在相变前后的吸收因子Qabs随激光波长的变化情况，进一步选择符合要求的纳米颗粒；计算纳米颗粒表面镀膜后在相变前后的吸收因子随激光波长的变化情况，再次选择符合要求的纳米颗粒；计算纳米颗粒的品质因子P，选取品质因子最大的纳米颗粒作为激光诱导肿瘤热疗所需的相变材料。本发明可获得一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控技术。

Description

一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法
技术领域
本发明涉及肿瘤光热疗法技术领域，具体涉及一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法。
背景技术
传统的癌症疗法包括外科手术、放疗及化疗，其中手术切除通常很难清除全部肿瘤，同时部分患者因为种种原因不能进行手术，而化疗和放疗具有严重副作用。因此近年来，肿瘤热疗技术作为一种肿瘤替代疗法受到了越来越多的关注，其中采用激光加热治疗肿瘤的光热疗法得到了快速发展。这项技术主要是通过利用特异性靶向纳米颗粒在肿瘤区域聚集，从而更大效率地将光能转化为热能，提高肿瘤区域温度，杀死癌细胞，并且减小对周围健康组织的损伤。
然而，实验研究发现，虽然纳米颗粒的引入使得肿瘤光热疗法对周围健康组织的破坏得到缓解，然而由于纳米颗粒对光的高吸收特性，激光到达肿瘤与正常组织的交界面后迅速衰减，使得热源集中在这一区域，因此由于热传导的作用依然存在肿瘤区域过热导致正常组织损伤的问题。在临床治疗中，往往依靠经验对热疗过程进行人工控制，操作的精准性难以保障。如何在保障热疗过程的有效性的同时减少正常生物组织受损范围成为一个迫切解决的问题。
发明内容
本发明的目的是要解决肿瘤光热疗法中如何在保障热疗有效性的同时、减少正常生物组织受损范围的问题，而提供一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法。
一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，按以下步骤完成：
一、选取结晶温度在40～100℃之间且相变前后介电常数有变化的不同尺寸、不同形状和不同种类的纳米颗粒作为符合要求的纳米颗粒；
二、绘制步骤一中符合要求的纳米颗粒在相变前后的吸收因子Qabs随激光波长变化的曲线图，若存在相变后的纳米颗粒的吸收因子比相变前的纳米颗粒的吸收因子降低的波段，则该纳米颗粒为符合要求的纳米颗粒；
三、绘制步骤二中符合要求的纳米颗粒表面镀膜后在相变前后的吸收因子随激光波长变化的曲线图，若存在相变后的纳米颗粒的吸收因子比相变前的纳米颗粒的吸收因子降低的波段，则该纳米颗粒为符合要求的纳米颗粒；
四、计算步骤三中符合要求的纳米颗粒的品质因子P，选取品质因子最大的纳米颗粒作为激光诱导肿瘤热疗所需的相变材料。
本发明的有益效果：
一、本发明一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，利用纳米相变材料在相变前后不同形态下的不同光学特性来实现生物组织温度场的被动调节。纳米相变材料在结晶前后所处的非晶态和晶态拥有不同的介电常数，当肿瘤区域温度高于结晶温度时，纳米相变材料发生相变，可使肿瘤组织对光的吸收因子降低，即降低光热转换效率，延缓温度升高速率，同时增加光的穿透深度使肿瘤内部得到充分加热，从而更加有效地治疗肿瘤组织，减少正常组织的损伤。
二、本发明一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，首先通过广泛查找相变前后介电常数有明显变化的相变材料，理论计算得到不同尺寸、不同形状和不同纳米相变材料的纳米颗粒在相变前后的吸收因子随波长的变化情况，初步选择出符合要求的相变材料，然后在此基础上计算纳米颗粒表面镀膜(SiO2)后的纳米颗粒在相变前后下的光谱特性，最后得到能够满足相变后吸收因子变小的纳米相变材料。通过使用本发明选择出的纳米相变材料，可极大改善传统的激光诱导肿瘤热疗技术中人工操作下正常生物组织损伤过大的问题，应用于激光诱导肿瘤热疗过程中，为生物组织温度场控制提供一种被动调控方法，对精准医疗技术具有十分重要的意义。
本发明可获得一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法。
附图说明
图1为实施例一一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法的效果示意图；
图2为实施例一中纳米颗粒VO2相变前后光学特性变化及不同波长下的品质因子的变化情况图，A代表相变后的VO2，B代表相变前的VO2，C代表不同波长下的品质因子；
图3为实施例一中采用非相变和相变纳米颗粒时肿瘤内温度分布情况，其中，左图为采用非相变纳米颗粒，右图为采用相变纳米颗粒。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，按以下步骤完成：
一、选取结晶温度在40～100℃之间且相变前后介电常数有变化的不同尺寸、不同形状和不同种类的纳米颗粒作为符合要求的纳米颗粒；
二、绘制步骤一中符合要求的纳米颗粒在相变前后的吸收因子Qabs随激光波长变化的曲线图，若存在相变后的纳米颗粒的吸收因子比相变前的纳米颗粒的吸收因子降低的波段，则该纳米颗粒为符合要求的纳米颗粒；
三、绘制步骤二中符合要求的纳米颗粒表面镀膜后在相变前后的吸收因子随激光波长变化的曲线图，若存在相变后的纳米颗粒的吸收因子比相变前的纳米颗粒的吸收因子降低的波段，则该纳米颗粒为符合要求的纳米颗粒；
四、计算步骤三中符合要求的纳米颗粒的品质因子P，选取品质因子最大的纳米颗粒作为激光诱导肿瘤热疗所需的相变材料。
本实施方式的有益效果：
一、本实施方式一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，利用纳米相变材料在相变前后不同形态下的不同光学特性来实现生物组织温度场的被动调节。纳米相变材料在结晶前后所处的非晶态和晶态拥有不同的介电常数，当肿瘤区域温度高于结晶温度时，纳米相变材料发生相变，可使肿瘤组织对光的吸收因子降低，即降低光热转换效率，延缓温度升高速率，同时增加光的穿透深度使肿瘤内部得到充分加热，从而更加有效地治疗肿瘤组织，减少正常组织的损伤。
二、本实施方式一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，首先通过广泛查找相变前后介电常数有明显变化的相变材料，理论计算得到不同尺寸、不同形状和不同纳米相变材料的纳米颗粒在相变前后的吸收因子随波长的变化情况，初步选择出符合要求的相变材料，然后在此基础上计算纳米颗粒表面镀膜(SiO2)后的纳米颗粒在相变前后下的光谱特性，最后得到能够满足相变后吸收因子变小的纳米相变材料。通过使用本实施方式选择出的纳米相变材料，可极大改善传统的激光诱导肿瘤热疗技术中人工操作下正常生物组织损伤过大的问题，应用于激光诱导肿瘤热疗过程中，为生物组织温度场控制提供一种被动调控方法，对精准医疗技术具有十分重要的意义。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的不同尺寸为等效半径20～100nm。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：步骤一中所述的不同形状为纳米球、纳米棒、纳米三角片或纳米笼。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中所述的不同种类为硫属化合物、钙钛矿型复合氧化物或二氧化钒。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二和步骤三中所述的激光波长为400～1400nm。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中所述绘制符合要求的纳米颗粒在相变前后的吸收因子Qabs随激光波长变化的曲线图是通过开源软件DDA，根据相变前后的纳米颗粒在不同激光波长下的吸收因子Qabs进行绘制。
其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中所述的纳米颗粒表面镀的膜为SiO2膜。
其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中所述绘制符合要求的纳米颗粒在相变前后的吸收因子Qabs随激光波长变化的曲线图是通过开源软件DDA，根据相变前后的纳米颗粒在不同激光波长下的吸收因子Qabs进行绘制。
其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤三四中所述的品质因子计算公式为：
P＝(Qabs,a-Qabs,c)/Qabs,a x 100％
其中，Qabs,a表示纳米颗粒相变前的吸收因子，Qabs,c表示纳米颗粒相变后的吸收因子。
其他步骤与具体实施方式一至八相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，按以下步骤完成：
一、选取结晶温度在40～100℃之间且相变前后介电常数有明显变化的不同尺寸(等效半径90nm)、不同形状(纳米球、纳米棒、纳米三角片或纳米笼)和二氧化钒VO2作为符合要求的纳米颗粒；
二、通过开源软件DDA，根据相变前后的纳米颗粒VO2在不同激光波长下的吸收因子Qabs绘制步骤一中符合要求的纳米颗粒VO2在相变前后的吸收因子Qabs随400～1400nm激光波长变化的曲线图，若存在相变后的纳米颗粒VO2的吸收因子比相变前的纳米颗粒VO2的吸收因子降低的波段，则该纳米颗粒为符合要求的纳米颗粒；
三、通过开源软件DDA，根据相变前后的表面镀膜(SiO2)的纳米颗粒VO2在不同激光波长下的吸收因子Qabs绘制步骤二中符合要求的纳米颗粒VO2表面镀膜(SiO2)后在相变前后的吸收因子随400～1400nm激光波长变化的曲线图，若存在相变后的表面镀膜(SiO2)的纳米颗粒VO2的吸收因子比相变前的表面镀膜(SiO2)的纳米颗粒VO2的吸收因子降低的波段，则该表面镀膜(SiO2)的纳米颗粒VO2为符合要求的纳米颗粒；
四、计算步骤三中符合要求的纳米颗粒VO2的品质因子P，品质因子计算公式为：
P＝(Qabs,a-Qabs,c)/Qabs,a x 100％
其中，Qabs,a表示纳米颗粒VO2相变前的吸收因子，Qabs,c表示纳米颗粒VO2相变后的吸收因子，最后选取品质因子最大的纳米颗粒VO2作为激光诱导肿瘤热疗所需的相变材料。
图1为实施例一一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法的效果示意图；如图1所示，本实施例利用纳米相变材料在相变前后不同形态下的不同光学特性来实现生物组织温度场的被动调节，相比常规纳米颗粒，纳米相变材料在结晶前后所处的非晶态和晶态拥有不同的介电常数，当肿瘤区域温度高于结晶温度时，纳米相变材料发生相变，可使肿瘤组织对光的吸收因子降低，即降低光热转换效率，延缓温度升高速率，同时增加光的穿透深度使肿瘤内部得到充分加热，从而更加有效地治疗肿瘤组织，减少正常组织的损伤。
图2为实施例一中纳米颗粒VO2相变前后光学特性变化及不同波长下的品质因子的变化情况图，A代表相变后的VO2，B代表相变前的VO2，C代表不同波长下的品质因子；如图2所示，展示了等效半径为90nm的VO2纳米球的吸收因子随波长的变化情况，可以看出VO2纳米球相变后在激光波长560～700nm区间内满足步骤二的要求，即相变后吸收因子相对于相变前减小，并且可以看出在激光波长630nm左右存在一个峰值。
图3为采用非相变和相变纳米颗粒时肿瘤内温度分布情况，其中，左图为采用非相变纳米颗粒，右图为采用相变纳米颗粒；如图3所示，采用相变纳米颗粒以后，肿瘤内温度分布均匀性明显提高，且高温区域更多的局限在肿瘤内部，而非正常组织处，明显减少了正常生物组织的受损范围。

Claims (9)

1.一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于该生物组织温度场被动调控方法按以下步骤完成：
一、选取结晶温度在40～100℃之间且相变前后介电常数有变化的不同尺寸、不同形状和不同种类的纳米颗粒作为符合要求的纳米颗粒；
二、绘制步骤一中符合要求的纳米颗粒在相变前后的吸收因子Qabs随激光波长变化的曲线图，若存在相变后的纳米颗粒的吸收因子比相变前的纳米颗粒的吸收因子降低的波段，则该纳米颗粒为符合要求的纳米颗粒；
三、绘制步骤二中符合要求的纳米颗粒表面镀膜后在相变前后的吸收因子随激光波长变化的曲线图，若存在相变后的纳米颗粒的吸收因子比相变前的纳米颗粒的吸收因子降低的波段，则该纳米颗粒为符合要求的纳米颗粒；
四、计算步骤三中符合要求的纳米颗粒的品质因子P，选取品质因子最大的纳米颗粒作为激光诱导肿瘤热疗所需的相变材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于步骤一中所述的不同尺寸为等效半径20～100nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于步骤一中所述的不同形状为纳米球、纳米棒、纳米三角片或纳米笼。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于步骤一中所述的不同种类为硫属化合物、钙钛矿型复合氧化物或二氧化钒。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于步骤二和步骤三中所述的激光波长为400～1400nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于步骤二中所述绘制符合要求的纳米颗粒在相变前后的吸收因子Qabs随激光波长变化的曲线图是通过开源软件DDA，根据相变前后的纳米颗粒在不同激光波长下的吸收因子Qabs进行绘制。
7.根据权利要求1所述的一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于步骤三中所述的纳米颗粒表面镀的膜为SiO2膜。
8.根据权利要求1所述的一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于步骤三中所述绘制符合要求的纳米颗粒在相变前后的吸收因子Qabs随激光波长变化的曲线图是通过开源软件DDA，根据相变前后的纳米颗粒在不同激光波长下的吸收因子Qabs进行绘制。
9.根据权利要求1所述的一种基于光学相变纳米颗粒的生物组织温度场被动调控方法，其特征在于步骤四中所述的品质因子计算公式为：
P＝(Qabs,a-Qabs,c)/Qabs,ax100％
其中，Qabs,a表示纳米颗粒相变前的吸收因子，Qabs,c表示纳米颗粒相变后的吸收因子。
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