基于渗透微血管的植入种子磁靶向体外实验装置及方法与流程

本发明涉及一种磁靶向系统的体外实验装置，尤其是一种基于微血管渗透效应的植入种子辅助的磁靶向系统的体外实验装置及其实验方法。

背景技术：

癌症治疗方法一般有：手术切除，放疗，化疗。在化疗中需要通过提高药物剂量的方式来增大癌变区域的药物浓度以达到治疗效果，这必然对正常组织造成毒副作用。药物靶向治疗是在定向条件的引导下，经特殊处理的抗癌药物，有选择性地在人体内被输送到病灶区域，这样就能改变药物在体内分布，在提高病灶区药物浓度的同时，降低正常组织药物浓度以减小毒副作用。磁靶向作为癌症治疗中最有前景的研究方向之一，具有提高癌变组织区域局部抗癌药物浓度，减少对健康组织毒副作用的优点。其原理是通过磁性载体，在外磁场作用下，将磁性药物直接靶向到体内特定部位，提高靶部位药物浓度，降低药物对正常组织的毒性和副作用。然而在应用上仍存在两点缺陷：1)由于外磁场产生的弱磁场力不能在组织液、血液等对磁性载药粒子的作用力中起主导作用，而使磁性载药粒子的聚集与滞留效果不显著；2)该药物递送方法一般情况下只能对治疗浅表癌变组织的作用较大，当癌变区位于皮肤以下较深位置时靶向效果较差，而且会随着深度的增加靶向效果会急剧下降。为克服传统的磁靶向方法的缺陷，有相关研究人员提出了植入辅助磁种子的磁性药物靶向治疗的概念，即在采用外磁场的前提下，通过植入磁种子来帮助磁性载药粒子在靶向区被吸引并滞留。该方法的原理来源于高梯度磁分离：靶向区植入的磁种子在外磁场作用下被磁化，不仅产生的辅助磁场的大小比外磁场大，同时改变了外磁场而产生了更大的磁场梯度，由于作用在磁性载药粒子上的磁场力与磁场大小和磁场梯度成比例，所以在外磁场与辅助磁场双重作用下，加在磁性载药粒子上的磁场力随之增强，磁性载药粒子在外磁场与辅助磁场共同作用下被吸引并滞留在靶向区。

在已有研究的成果中：1)发明“磁性复合材料及用于治疗癌症的方法”(公开(公告)号：CN1548159)，重点关注于磁性复合材料在放疗中的应用，制备了一种新型的磁性复合材料并设计了该复合材料在放疗中的应用方法；2)发明“采用永磁磁体用于磁性药物物理靶向定位的方法及装置”(公开(公告)号：CN102429857A)，专注于磁场装置的优化，提出了一种新的永磁磁体布置方式来定位磁性药物，该方式对于中深度部位的药物定位特别适用；3)实用新型“促进药物-细胞向深部组织靶向聚集的无创性磁导向装置”(公开(公告)号：CN203342198U)，同样将焦点放在磁场装置上，设计了一种磁场深度聚焦的电磁体，以实现药物在深层的定位；4)实用新型“一种抗肿瘤磁性纳米粒子药物的靶向给药装置”(公开(公告)号：CN204016940U)，设计开发了一种靶向给药装置，该装置能够减少磁性药物的流动，并较好地将药物集中于肿瘤部位。

以上研究成果都展现了在癌症治疗方面的应用价值，但是均没有从磁靶向系统的全局方面考虑问题，仅仅关注于系统的某一部分(比如磁场装置)。由于机体组织的复杂性，癌变组织与健康组织之间的差异性等等都会影响磁性载药粒子在靶向区的聚集，因此机体组织的性质必须考虑在内。另外以上成果中，1)中是关于放疗的研究，2)、3)、4)都是基于无植入辅助磁种子药物靶向方式的研究，在研究成果的应用上所得到的结论也是定性的。在植入辅助磁种子磁靶向系统付诸临床应用之前，为了安全性与可靠性考虑，必须首先从体外实验入手，得到实验数据支撑的前提下，才可逐步展开。

目前，在植入种子辅助的磁性药物靶向体外实验方法中，对于微血管的模拟主要采用内径为几百微米的玻璃管，或者采用内部布满微米尺度孔洞的多孔渗水材料替代机体组织中随机分布的微血管。这两种方法在尺度上都比比实际微血管(内径：6～10μm)大两个数量级，另外前者完全忽略微血管渗透效应，后者只是考虑机体中随机分布的微血管产生的总体效应，未针对单根微血管做出研究。在磁性载药粒子及其载液方面，只是用单一去离子水作为载液不考虑血液的实际性质，同时在磁性载药粒子的悬浊液中没有加入其它粒子来模拟血液中的红细胞的影响。在外磁介质的选取上虽然采用具有很大剩磁的稀土材料合金(比如：钕铁硼)，但在外观上都是矩形结构，磁场分布具有局限性，在远端的衰减很大。

技术实现要素：

技术问题：为了完善体外实验在模拟真实情况上的准确性，克服玻璃管以及多孔渗水材料尺度大且不考虑渗透，以及磁性载药粒子及其载液忽略血液性质影响的缺陷，同时为了达到外磁介质在远端仍然具有较密集的磁场分布，本发明提供一种考虑渗透的实验装置及方法，该装置不仅能够很好的模拟真实微血管的结构与血液的性质，而且可以解决外磁介质在远端的剧烈衰减，同时通过体外实验得到一组使捕获率最优的实验参数为临床应用提供数据支撑。

技术方案：本发明是一种基于渗透微血管的植入种子磁靶向体外实验装置，该装置包括输送模块、靶向区、外磁场模块、种子悬浊液、磁性载药粒子悬浊液；其中，输送模块包含双通道注射泵，第一注射器，第二注射器，玻璃管与收集皿，双通道注射泵的两个输出端分别接第一注射器和第二注射器，其中第一注射器中有磁性载药粒子悬浊液，第二注射器中有种子悬浊液或清洗液，两个注射器的输出端连通后接玻璃管；靶向区是一个中间开有通孔的棒状多孔介质材料两端连接玻璃管构成；外磁场模块位于靶向区旁，包含一个永磁体，与能够控制永磁体表面与靶向区轴线之间距离的夹具；种子悬浊液中包含磁性种子、去离子水、十二烷基硫酸钠和丙三醇；磁性载药粒子悬浊液中包含磁性载药粒子、去离子水、十二烷基硫酸钠和丙三醇；清洗液包含离子水、十二烷基硫酸钠和丙三醇；该实验装置的作用是在体外研究植入辅助磁靶向系统中磁性载药粒子捕获率的影响因素及其变化规律。

所述的靶向区所采用的棒状多孔介质材料的内部均匀分布的孔洞平均半径为50～250nm，孔隙度为75％～90％，并定义渗透参数将渗透率的概念无量纲化来描述不同内部结构的该材料的渗透效应；同时棒状多孔介质材料的外部结构尺寸为：直径D＝10mm，长度l＝50mm，在棒状多孔介质材料轴线所开的通孔的直径为50μm。

所述外磁场模块中的永磁体的材料为钕铁硼Nd₂Fe₁₄B稀土永磁材料，结构为圆柱型，磁场方向径向充磁。

外磁场模块加载在靶向区外部，外磁场模块中的夹具是通过固定永磁体、移动靶向区的方式改变永磁体表面与靶向区轴线之间距离，距离变化范围为0～7cm。

所述的种子悬浊液是将经过表面修饰得到亲水基团的四氧化三铁粒子，充分分散在去离子水中形成的稳定悬浊液；种子的平均粒径为20nm，并在其中加入十二烷基硫酸钠SDS作为活性剂，并保证SDS的浓度为50mM，最后用体积比为5％的丙三醇作为粘度添加剂。

所述的磁性载药粒子悬浊液是将经过表面修饰得到亲水基团的四氧化三铁粒子，充分分散在去离子水中形成的稳定悬浊液；磁性载药粒子的平均粒径在50～400nm之间，并在其中加入十二烷基硫酸钠SDS作为活性剂，并保证SDS的浓度为50mM，最后用体积比为5％的丙三醇作为粘度添加剂。

清洗液中十二烷基硫酸钠的浓度为50mM，丙三醇的体积比为5％。

本发明的基于渗透微血管的植入种子磁靶向体外实验装置的实验方法包含以下步骤：

1)配置浓度为200mg/L，400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L的种子悬浊液；

2)配置浓度分别为200mg/L，400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L磁性载药粒子悬浊液，磁性载药粒子平均半径为50nm，150nm，250nm，350nm，400nm；

3)配置清洗液；

4)称量干燥的收集皿的质量，设置圆柱形永磁体表面与棒状多孔介质材料轴线之间的距离为1cm-5cm；

5)用清洗液将渗透参数为1的棒状多孔介质材料完全浸湿；

6)连接好整个体外实验装置，用第二注射器抽取一定体积的清洗液，并将其注入实验装置的液体通道内直至末端有液体流出；

7)设置双通道注射泵的恒定流速使靶向区棒状孔介质材料中间通孔内液体流速为20mm/s，用第二注射器抽取磁性种子悬浊液10mL并安装在注射泵的下通道上，连接好玻璃管；用第一注射器抽取浓度为200mg/L磁性载药粒子悬浊液20mL并安装在注射泵的上通道上，连接好玻璃管；

8)启动注射泵下通道，开始注射种子悬浊液直至结束，从整个实验装置流出的种子悬浊液用烧杯收集；再次启动注射泵上通道，开始注射磁性载药粒子悬浊液，从整个实验装置流出的磁性载药粒子悬浊液用已称量质量的收集皿收集；

9)再次用第二注射器抽取一定体积的清洗液注入实验装置，直至液体从实验装置末端流出；

10)将收集皿内收集的磁性载药粒子悬浊液中的液体部分烘干，并称量其中未被捕获的磁性载药粒子的质量；

11)计算捕获率：按照已知浓度与体积计算注入实验装置的磁性载药粒子的质量M_i，按照收集皿在实验前后的质量计算未被捕获的磁性载药粒子的质量M_o，计算捕获率

12)以相同的实验参数重复完成上述过程三次，求CE平均值；

13)依次在其他的实验参数下重复上述过程，直至所有参数的实验全部完成。

有益效果：本实验装置及方法涉及的植入辅助磁种子的磁靶向系统，通过种子产生的辅助磁场可以解决外磁介质在远端的剧烈衰减，提高磁性载药粒子的捕获率。而且本实验装置及方法模拟了人体癌变组织及其微血管的渗透性与血液的性质，同时实验尺度接近真实情况，因此通过该装置进行的体外实验，能够很好地模拟植入种子的磁靶向系统中种子与磁性载药粒子在微血管中的输运，得出的实验数据能够为未来的在体实验与临床应用提供支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1显示为植入辅助磁种子磁靶向系统的原理示意图。

图2显示为基于渗透微血管的植入种子辅助磁靶向系统体外实验装置的原理示意图。

图3显示为靶向区局部截面放大的原理示意图。

图4显示为永磁体示意图。

图中有：双通道注射泵1，第一注射器2，第二注射器3，玻璃管4、收集皿5、种子悬浊液6、磁性载药粒子悬浊液7、靶向区8、外磁场模块10、永磁体10.1、清洗液11、输送模块12、外磁场13、一次被注射的磁种子14、二次被注射的磁性载药粒子15、癌变组织16、磁种子随血流17。

具体实施方式

本发明是一种基于渗透微血管的植入种子辅助磁靶向系统的体外实验装置，该装置包括输送模块、外磁场模块、靶向区、种子悬浊液与磁性载药粒子悬浊液、清洗液。其中，输送模块用来输送种子悬浊液与磁性载药粒子悬浊液至靶向区直至整个装置的外部；外磁场模块的作用是通过外部磁场捕获被输送装置一次输送到靶向区的种子并激发种子产生局部辅助磁场，进而在外磁场与辅助磁场作用下吸引并捕获被输送模块二次输送到靶向区的磁性载药粒子；靶向区是模拟人体癌变组织微血管及微血管周围的癌变组织的模块；种子悬浊液通过被外磁场激发而产生局部辅助磁场；磁性载药粒子悬浊液是磁性载药粒子的载体，同时模拟血液的性质；清洗液在实验过程中冲洗实验装置的液体通道。

本发明的作用是在体外模拟真实癌变组织及其微血管与血液性质，通过改变外磁介质并植入种子的情况下确定磁性种子与磁靶向药物的注入量，为了描述磁性药物在靶向区的捕获效果，定义捕获率：

其中，M_i为通过输送模块输送到靶向区的磁性载药粒子的总质量，M_o为未被捕获的磁性载药粒子的质量。在实验过程中通过输送装置将一定浓度与体积的磁性种子与磁性载药粒子悬浊液，按照先种子后粒子的顺序以一定的流速输送到靶向区，在加在靶向区外磁场模块的作用下，首先注入的磁性种子被捕获并激发产生局部辅助磁场，再次被注入的磁性载药粒子在外磁场与辅助磁场的作用下被捕获并滞留在靶向区，未被捕获的部分随着悬浊液运动到输送模块末端。

输送模块由注射泵、注射器、玻璃管、收集皿等组成，其中注射泵能以恒定流速输送种子或者磁性载药粒子悬浊液。

外磁场模块中的磁场发生源采用剩磁感应强度、磁能积、矫顽力都很高，同时能够提供稳定大场强的稀土永磁材料，为了改变靶向区的磁场分布设计能够调节永磁体与靶向区之间距离的夹具。

靶向区：靶向区是磁性种子与磁性药物粒子被定向捕获的区域。为了模拟癌变组织的结构与性质以及癌变组织中微血管壁的渗透效应，靶向区采用内部随机均布纳米尺度孔洞的棒状多孔介质材料模拟生物组织，并在多孔介质材料上开一通孔模拟微血管。

种子悬浊液与磁性载药粒子悬浊液：种子悬浊液与磁性载药粒子悬浊液都是将经过表面修饰得到亲水基团的四氧化三铁粒子，充分分散在去离子水中形成的稳定悬浊液，种子的平均粒径为20nm，为了满足实验需要，磁性载药粒子的平均粒径在50～400nm之间。为了模拟真实血液的性质，在悬浊液中加入一定体积比的粘度添加剂改变其粘度，选用丙三醇为粘度添加剂，丙三醇的加入量通过毛细管法测量。

清洗液：清洗液在实验前后注入实验装置，起到清洗液体通道的作用，是十二烷基硫酸钠(SDS)与丙三醇的去离子水混合溶液。

为使本发明的内容明显易懂，以下结合附图和具体实施方式做进一步说明。

如附图1所示为植入辅助磁种子磁靶向系统的原理示意图，植入辅助磁种子磁靶向系统包括三部分：1)外磁场13，即远距离、低梯度的磁场；2)一次被注射的磁种子14，能在外磁场作用下能够被磁化并在癌变组织16附近创建一个高梯度磁场；3)二次被注射的磁性载药粒子15，即在外磁场与内部辅助磁场作用下被高梯度磁场捕获并滞留在癌变组织附近的药物载体。抗癌药物的捕获步骤为：1)注射磁种子，磁种子随血流17进入微血管，在癌变组织附近外磁场装置的作用下，磁种子被捕获并滞留在癌变组织附近，并在癌变组织附近产生辅助磁场。2)注射磁性载药粒子，磁性载药粒子在外磁场与磁种子产生的辅助磁场共同作用下被捕获。

如附图2所示为实验装置的示意图，自左向右分别是：双通道注射泵1、第一注射器2、第二注射器3、玻璃管4、收集皿5、靶向区8与外磁场模块10，外磁场模块加载在靶向区外围。由于影响捕获率的因素有很多，现就浓度因素影响下的捕获率测试实验实例如下：

(1)配置浓度为ρ_s＝600mg/L的磁性种子悬浊液，并按5％的体积比加入丙三醇；将平均半径为150nm(或50nm，250nm，350nm，400nm，)磁性载药粒子浓度分别为ρ_np＝200mg/L，400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L的磁性载药粒子悬浊液，并按5％的体积比加入丙三醇；配置浓度为50mM的十二烷基硫酸钠(SDS)溶液，同样加入体积比为5％的丙三醇，得由丙三醇与SDS组成的清洗液。

(2)称量干燥的收集皿的质量，设置圆柱形永磁体表面与模拟微血管轴线之间的距离d＝1cm(或2cm，3cm，4cm，5cm)。

(3)用清洗液将渗透参数为1(或2，3，4，5，6，7)的多孔介质材料完全浸湿，这步的目的是为了模拟人体组织液对磁性载药粒子在捕获过程中的作用。

(4)按照附图连接好整个体外实验装置，用注射器抽取一定体积的清洗液，并将其注入实验装置的液体通道内直至末端有液体流出。

(5)设置双通道注射泵的恒定流速为5.08mL/h，此时靶向区模拟微血管内液体流速为20mm/s(或1.5mm/s，10mm/s，30mm/s，40mm/s，)；用注射器抽取磁性种子悬浊液10mL并安装在注射泵的下通道上，连接好玻璃管；用注射器抽取浓度为200mg/L(或400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L)磁性载药粒子悬浊液20mL并安装在注射泵的上通道上，连接好玻璃管。

(6)启动注射泵上通道按钮，开始注射种子悬浊液直至结束，从整个实验装置流出的种子悬浊液用烧杯收集；再次启动注射泵下通道按钮，开始注射磁性载药粒子悬浊液，从整个实验装置流出的磁性载药粒子悬浊液用已称量质量的收集皿收集。再次抽取一定体积的清洗液注入实验装置，直至液体从实验装置末端流到收集皿内。

(7)将收集皿内收集的磁性载药粒子悬浊液中的液体部分烘干，并称量其中未被捕获的磁性载药粒子的质量。

(8)计算捕获率：按照已知浓度与体积计算注入实验装置的磁性载药粒子的质量M_i，按照收集皿在实验前后的质量计算未被捕获的磁性载药粒子的质量M_o，按照公式(1)计算捕获率CE。

(9)以相同的磁性载药粒子悬浊液浓度重复完成上述过程三次，求CE平均值。

(10)换其他浓度的磁性载药粒子悬浊液重复上述过程，直至所有浓度下的实验全部完成。

通过以上过程即可测得在不同浓度下，磁性载药粒子的捕获率，进而绘制曲线得到捕获率变化规律为临床应用起指导作用。同时在研究其他影响因素时，例如：外磁场因素(通过改变圆柱形永磁体表面与模拟微血管轴线之间的距离来描述)；悬浊液在模拟微血管中的流速；磁性载药粒子的平均半径；多孔介质的渗透参数。同样可以采用这套装置，按照以上类似过程来进行。当所有磁性载药粒子捕获率的影响因素的测试实验都完成后，即可从每个方面探讨捕获率在不同影响因素下的变化规律，最终选择最可行，同时捕获率较高的各影响因素的参数，为临床应用提供重要的参考。

如附图3是靶向区局部的截面放大图，当种子悬浊液被注射进实验装置并运动到靶向区时，在外磁场模块作用下，种子被捕获并产生局部辅助磁场；接着磁性载药粒子悬浊液被注射进实验装置并运动到靶向区，磁性载药粒子在外磁场及种子的辅助磁场作用下被捕获。靶向区采用的多孔介质材料9内部随机分布着平均直径为50～250nm纳米孔洞，其孔隙度为75％～90％，由于内部结构性质的区别反应在宏观效应上就是渗透效应的强弱不同，这样就可以模拟不同渗透性的微血管及其周围组织。为了满足实验需求及充分模拟微血管以及微血管周围的组织，棒状多孔介质的结构尺寸为：直径D＝10mm，度l＝50mm。由于一般人体微血管的内径为8～10μm，为了在满足实验的条件下最大限度的模拟微血管，在多孔介质上所开的通孔半径为25μm(R＝25μm)。对于多孔介质渗透效应的强弱用渗透率的概念来描述，并定义渗透参数将渗透率无量纲化。在实验过程中，多孔介质材料两端与玻璃管4，磁种子14与磁性载药粒子15经玻璃管进去在多孔介质材料的通孔中，并在壁面上被捕获。

如附图4，是稀土材料永磁体的示意图，本发明中的稀土材料具体采用钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)稀土永磁材料，同时结构与磁场方向为圆柱型(高：50mm，直径：30mm)径向充磁。为了改变靶向区与永磁体之间的距离，通过自制夹具固定住永磁体，同时在永磁体的径向移动靶向区靶向区，使永磁体表面与靶向区中心之间的距离在0～7cm范围内变化，如此控制外磁场在靶向区的分布。