EQUIPO ADIABATICO PARA MEDIDA DEL COEFICIENTE DE ABSORCION ESPECIFICODE UN MATERIAL SOMETIDO A UN CAMPO MAGNETICO ALTERNO Y METODO PARA REALIZAR DICHA MEDIDA.

Equipo adiabático para medida del coeficiente de absorción específico de un material sometido a un campo magnético alterno y método para realizar dicha medida.

En esta patente se describe un equipo que permite medir de forma adiabática el incremento de temperatura experimentado por aquellos materiales que presentan mecanismos activos de disipación de calor al someterlos a un campo magnético alterno. Conocida esta magnitud y el tiempo de aplicación del campo y, conociendo la capacidad calorífica del material y su masa, se determina el coeficiente de absorción específico o SAR (Specific Absorption Rate, W/g).Este equipo consta de un sistema de contenedores y un equipo de vacío que permiten mantener el entorno de la muestra en condiciones de vacío, una pantalla que minimiza las pérdidas por radiación y conducción entre la muestra y su entorno, los sensores de temperatura y su electrónica de medida y de control, un elemento inductor para generar el campo magnético, la electrónica necesaria para excitar dicho inductor y finalmente el software de medida y control de todo el sistema

Equipo adiabático para medida del coeficiente de absorción específico de un material sometido a un campo magnético alterno y método para realizar dicha medida.

Campo técnico de la invención

La invención se refiere a un equipo adiabático para la medida del coeficiente de absorción específico de un material sometido a un campo magnético alterno.

Antecedentes de la invención

Existe un amplio rango de materiales que experimentan una disipación de calor en presencia de un campo magnético alterno. Dicha disipación es generada por diversos mecanismos físicos, que cada material experimentará según su naturaleza. Algunos ejemplos son la disipación de calor por la generación de corrientes de Foucault (conductores eléctricos), por histéresis magnética debida el movimiento de paredes de dominio (materiales ferromagnéticos), por histéresis magnética debida al desplazamiento irreversible de los vórtices de flujo magnético (superconductores de alta temperatura) o por efectos de relajación magnética inducida térmicamente (materiales superparamagnéticos).

La cantidad de calor disipado, así como su dependencia con los parámetros del campo magnético alterno, son importantes parámetros de diseño de cara a las aplicaciones. En algunos casos, se buscará minimizar la disipación, como es el caso de bobinas, transformadores, cables superconductores de alta temperatura para aplicaciones de potencia o aplicaciones de refrigeración magnética, y en otros casos se tratará de maximizar, como es el caso del curado de polímeros, horno y soldadura por inducción, o el uso de nanopartículas magnéticas en aplicaciones biomédicas.

En particular, en los últimos años se ha desarrollado enormemente la investigación sobre el empleo de nanopartículas magnéticas para el tratamiento localizado de tumores por hipertermia. Gilchrist et al. [Selective inductive heating of lymph nodes, Ann. Surg., 146: 596-606 (1957)] realizaron las primeras pruebas experimentales en 1957 calentando varias muestras de tejido con partículas de maghemita de 20-100 nm excitadas por un campo magnético alterno de 1.2 MHz. Pero ha sido en los últimos 5 años cuando el número de publicaciones científicas sobre este tema ha crecido de forma exponencial. Se han realizado experimentos tanto in-vitro como in-vivo, incluso en humanos, y se han desarrollado patentes acerca de procedimientos para la fabricación de nanopartículas y ferrofluidos adecuados, así como de equipos médicos para la aplicación de la terapia de hipertermia inducida por campo magnético alterno.

El tratamiento de tumores mediante hipertermia inducida se basa en la introducción, bien en el torrente sanguíneo, bien directamente en el tejido tumoral, de ferrofluidos basados en bionanopartículas con núcleo magnético, encapsuladas y vectorizadas para ser reconocidas y captadas por receptores celulares específicos, permitiendo así su implantación en las células cancerosas, y el posterior debilitamiento o destrucción de las mismas, mediante el calor disipado por los núcleos magnéticos al ser sometidos a un campo magnético alterno.

El calor disipado por los núcleos magnéticos de los ferrofluidos varía con el medio de dispersión de las nanopartículas, su encapsulado y vectorizado, pero sobre todo con sus propiedades magnéticas, y éstas, a su vez, con el tipo de material, forma y tamaño de los núcleos, cristalinidad, dispersión de tamaños, interacciones entre núcleos, etc. En consecuencia, existe gran interés en desarrollar procedimientos para producir ferrofluidos biocompatibles y dispersables de forma estable y homogénea en medios fisiológicos, con recubrimientos que les permitan eludir el ataque del sistema inmunológico y con grupos funcionales en su superficie que permitan el anclaje de moléculas con una funcionalidad biológica, pero también con una disipación de calor óptima en el rango biológico de aplicación de campo magnético: Amplitud del campo (H₀) menor que 15 kA/m y una frecuencia (f) entre 50 kHz y 1.2 MHz, con H₀•f menor que 485 kA•kHz/m.

La aplicación de calor a órganos y tejidos puede provocar (a) calentamientos moderados, de hasta 41ºC en el caso de tejidos humanos, (b) efectos hipertérmicos, cuando la temperatura se sitúa en la región entre 41ºC y 46ºC, causando la destrucción de células, o (c) termoablación, cuando las temperaturas alcanzan o superan 56ºC, lo que supone necrosis, coagulación e incluso carbonización del tejido, dependiendo de la intensidad de energía aplicada. Por tanto, para alcanzar las temperaturas deseadas, es fundamental conocer de forma precisa la potencia de calefacción de los ferrofluidos en terapias hipertérmicas, para poder así suministrar la concentración correcta de núcleos magnéticos.

Además, la potencia de calefacción es un importante parámetro en el diseño en la fabricación de ferrofluidos para aplicaciones biomédicas, ya que cuanto mayor sea la potencia de calefacción de las partículas se requieren menores dosis de aplicación a los pacientes.

La potencia de calefacción por unidad de masa de material disipador se expresa habitualmente en términos del coeficiente de absorción específico (Specific Absorption Rate, SAR) y se mide en W/g. La determinación de esta magnitud de forma calorimétrica se lleva a cabo mediante la medida del ritmo de aumento de temperatura experimentado por una muestra al aplicarle un campo magnético alterno. El producto de dicho ritmo y la capacidad calorífica de la muestra, dividido por la masa de material disipador, es igual al SAR de dicho material.

En la literatura científica, pueden encontrarse algunas instalaciones no comerciales que miden aproximadamente el SAR por el método calorimétrico. Estas instalaciones consisten en un sistema generador de campo alterno, un termo rodeado de un aislante y uno o varios sensores de temperatura. El sistema de campo alterno consta generalmente, bien de un inductor o bobina, o bien de un núcleo magnético, junto con la electrónica adecuada para la generación de señales sinusoidales de las frecuencias y campos adecuados. El termo, que alberga en su interior a la muestra, reduce la conducción de calor al exterior mediante un aislante de baja conductividad térmica. Sin embargo, al no eliminar otras fuentes de pérdidas de calor, como la convección por el aire que le rodea, o la radiación, no es un sistema adiabático, es decir, intercambia calor con el medio. En cuanto a la medida de la temperatura, existe un amplio rango de sensores que se emplean, como termopares, termómetros de alcohol o pirómetros, con mayor o menor precisión.

Hiergeist et al. [J. Magn. Magn. Mat. 201, 420-422 (1990)] presentan un estudio comparativo de la potencia emitida en forma de calor de varios tipos de magnetita al ser sometidos a un campo magnético, mediante medidas calorimétricas en un dispositivo que comprende un generador de radiofrecuencia (410 kHz, 6,5 kA/m) y un elemento inductor de 2 vueltas.

Hilger et al. [Acad. Radiol. 9, 198-202 (2002)] estiman el SAR de partículas de óxidos de hierro a partir de medidas calorimétricas en un campo magnético alterno (400 kHz, 6,5 kA/m).

Ma et al. [J. Magn. Magn. Mat. 268, 33-39 (2004)] determinan el SAR de suspensiones acuosas de partículas de magnemita de distinto tamaño en un campo magnético alterno (80 kHz, 32,5 kA/m) inducido por una bobina de 3 vueltas.

Fortin et al. [J. Am. Chem. Soc. 129, 2628-2635 (2007)] utilizan una bobina (300 kHz-1,1 MHz, 27 kA/m) refrigerada por un circuito de nonano para estudiar la hipertermia inducida magnéticamente en nanomagnetos de óxido de hierro.

Como se puede apreciar, la mayor parte de los elementos inductores empleados en el estado de la técnica son solenoides o bobinas de pocas espiras que, para generar un campo magnético determinado, han de introducir elevadas corrientes, lo que requiere la implantación de medios de refrigeración y además el campo no será en general uniforme en toda la dimensión de la muestra.

El carácter no adiabático de las instalaciones señaladas hace que el ritmo de calentamiento de la muestra, que debe ser constante a frecuencia y amplitud de campo fijas, disminuya progresivamente a causa de la aparición de pérdidas de calor hacia el exterior. Estas pérdidas, que aumentan con el tiempo de aplicación de campo, puesto que la diferencia...

1. Equipo adiabático para la medida del coeficiente de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, que comprende:

(a) una pantalla (2) adiabática de radiación, que aloja la muestra (1) para impedir su intercambio de calor con el medio, pantalla (2) fabricada de un material con alta conductividad térmica y baja conductividad eléctrica;

(b) medios sensores de temperatura;

(c) al menos un dewar sin espejar para contener la pantalla (2) adiabática y la muestra (1).

(d) un elemento inductor (11) para generar un campo magnético alterno en su interior, que contiene en su interior el al menos un dewar y con las características adecuadas para que el campo magnético inducido en su interior sea suficientemente homogéneo, elemento inductor (11) que junto con un banco de condensadores (12) constituye la carga de la etapa de potencia;

(e) un sistema electrónico de potencia y excitación (13) para alimentar y excitar el conjunto sistema inductor (11)-banco de condensadores (12);

(f) un equipo de vacío (8).

2. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según la reivindicación 1, caracterizado porque la pantalla adiabática (2) es de un material no conductor eléctrico.

3. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción especifico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pantalla (2) adiabática es de un material cerámico.

4. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pantalla (2) adiabática es de alúmina.

5. Equipo adiabático para la medida del coeficiente de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pantalla (2) adiabática de radiación está dotada de medios de calefacción.

6. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según reivindicación 4, caracterizado porque los medios de calefacción de la pantalla (2) consisten en un material resistivo depositado sobre la pantalla (2) mediante deposición en fase vapor.

7. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según reivindicación 5, caracterizado porque el material resistivo depositado para actuar como medio de calefacción de la pantalla (2) es TiN.

8. Equipo adiabático para la medida del coeficiente de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque existen al menos tres medios sensores de la temperatura, situados sobre la pantalla adiabática, entre la muestra y la pantalla adiabática y sobre la muestra.

9. Equipo adiabático para la medida del coeficiente de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está dotado de dos dewars; un dewar interno (5) que contiene la muestra (1) y un dewar externo (6) ambos sin espejar, aislado térmicamente, situado en el interior del elemento inductor (11) y que contiene al dewar interno (5).

10. Equipo adiabático para la medida del coeficiente de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según reivindicación 8, caracterizado porque el dewar externo (6) contiene una camisa de vacío sellada y porque su interior es accesible por la parte superior.

11. Equipo adiabático para la medida del coeficiente de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según reivindicación 8 y 9, caracterizado porque el dewar externo (6) puede rellenarse de líquido refrigerante y permitir medir a temperaturas subambiente.

12. Equipo adiabático para la medida del coeficiente de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones 8-9, caracterizado porque el dewar interno (5) está contenido dentro del dewar externo (6) de forma concéntrica, con su cámara de vacío accesible mediante una llave que permite extraer o introducir gas en el interior de dicha cámara de vacío.

13. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado porque incluye medios de soporte para sostener y mantener en posición correcta los dewars interno (5) y externo (6) y el elemento inductor (11).

14. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones 8-11, caracterizado porque el interior del dewar interno (5) está cerrado mediante una tapa (7) que contiene al menos dos conexiones con el exterior, para realizar vacío y medir la presión interior , y para introducir el cableado eléctrico.

15. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incluye adicionalmente medios de registro, visualización y control (15) de los parámetros relevantes que comprenden al menos una de las siguientes funciones:

- control y lectura de la amplitud del campo magnético alterno,

- obtención de valores de temperatura,

- control PID de las temperaturas de la pantalla adiabática,

- control y visualización en tiempo real de la medida.

16. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incluye medios de soporte y de guía del cableado (3), para sostener el conjunto muestra-pantalla y conducir hasta él desde el exterior el cableado de los medios sensores de temperatura y de los medios de calefacción de la pantalla adiabática (2).

17. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según reivindicación 14, caracterizado porque los medios de soporte y de guía del cableado (3) consisten en un tubo de plástico, preferentemente bakelita.

18. Equipo adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra (1) sometida a un campo magnético alterno, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el equipo de vacío (8) está conectado a un medidor de presión (9).

19. Método adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra sometida a un campo magnético alterno, que comprende las siguientes fases operativas:

(a) situar una muestra del material a caracterizar en el interior de un equipo adiabático;

(b) someter la muestra a un campo magnético alterno homogéneo creado por un elemento inductor (11);

(c) monitorizar la evolución de la temperatura de la muestra en función del tiempo en presencia del campo magnético;

(d) determinar el cambio de temperatura (ΔT) durante el intervalo (Δt) de aplicación del campo magnético alterno;

(e) determinar el ritmo de absorción específico (SAR) como

20. Método adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra sometida a un campo magnético alterno según reivindicación 19, caracterizado porque la fase operativa (a) incluye la etapa de hacer vacío en un entorno de la muestra (1).

21. Método adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra sometida a un campo magnético alterno según cualquiera de las reivindicaciones 19-20, caracterizado porque el cambio de temperatura (ΔT) durante el intervalo (Δt) de aplicación del campo magnético alterno se determina como diferencia de la temperatura en los instantes final e inicial de aplicación de campo.

22. Método adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra sometida a un campo magnético alterno según cualquiera de las reivindicaciones 19-20, caracterizado porque el cambio de temperatura (ΔT) durante el intervalo (Δt) de aplicación del campo magnético alterno se determina extrapolando los comportamientos de la temperatura con el tiempo antes y después de aplicar el campo, y calculando el incremento ΔT como la diferencia de ambas extrapolaciones en el punto medio del intervalo de tiempo de excitación.

23. Método adiabático para la medida del ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra sometida a un campo magnético alterno según cualquiera de las reivindicaciones 19-22, caracterizado porque incluye adicionalmente la fase operativa de controlar y seleccionar la frecuencia y amplitud del campo magnético alterno.

24. Uso del método adiabático definido en una de las reivindicaciones 19 a 23 para la determinación de forma indirecta de propiedades de un material disipador caracterizado porque comprende

- conocer el mecanismo de disipación

- definir una expresión teórica del SAR en función de dichas propiedades,

y llevar a cabo las siguientes fases operativas:

(a) determinar adiabáticamente el ritmo de absorción específico (SAR) de una muestra del material;

(b) determinar el valor de la propiedad del material a partir de la expresión teórica del SAR.