Calorímetro diferencial y método para la medida de la tasa de absorción específica de coloides magnéticos sometidos a campos electromagnéticos.

Calorímetro diferencial y método para la medida de la tasa de absorción especifica de coloides magnéticos.

La presente invención se refiere a un calorímetro diferencial y a un método para la determinación de la tasa de absorción especifica (SAR) de coloides magnéticos sometidos a un campo electromagnético, para su aplicación en terapias mediante hipertermia magnética y en caracterización de materiales magnéticos. El calorímetro diferencial comprende dos recipientes (1) y (2) térmicamente aislados, en los que se introduce una suspensión coloidal magnética. Uno de ellos se coloca en un equipo de generación de campos electromagnéticos, y en el otro se sumerge una resistencia (6). Dos sondas termométricas (3) y (4) miden la diferencia de temperatura de ambos coloides y, con un sistema de control (5) y otro de amplificación de potencia (7) que alimenta la resistencia (6), se mantienen ambos a la misma temperatura. La potencia disipada en la resistencia es la misma que la disipada por el coloide magnético sometido al campo electromagnético.

Calorímetro diferencial y método para la medida de la tasa de absorción específica de coloides magnéticos sometidos a campos electromagnéticos

Sector de la Técnica

La invención se enmarca dentro del campo de la nanotecnología y la medida de calentamiento efectivo de nanopartículas magnéticas bajo la acción de un campo electromagnético.

Su aplicación abarca las aplicaciones biomédicas que utilizan la temperatura como agente terapéutico, como por ejemplo el tratamiento de tumores por hipertermia, y el área de caracterización de materiales magnéticos.

Estado de la técnica

El objetivo de la hipertermia para el tratamiento de tumores malignos es aprovechar la diferencia en la resistencia térmica entre células sanas y tumorales elevando localmente la temperatura de la zona afectada (Connor et al. Radiology 123, 497-503 (1977)). Está demostrado que la hipertermia puede matar los tejidos tumorales dejando prácticamente intactos los sanos (van der Zee, Annals Oncol. 13(8): 1173-1184 (2002)). En este sentido puede decirse que el tratamiento del cáncer por hipertermia es un tratamiento selectivo, a diferencia de los actuales tratamientos oncológicos como la quimioterapia o la radioterapia. Existen diversos dispositivos de hipertermia que permiten la transferencia de calor desde una fuente al tumor, por ejemplo tratamiento por microondas, radiofrecuencias, tratamientos sónicos o incluso los baños térmicos (Institute of Cáncer Research.

( http://www.cancer.gOv/cancertopics/factsheet/Therapv/hvperthermia#r1 )). Estos dispositivos irradian directamente los tejidos elevando la temperatura de toda una parte del cuerpo y pueden inducir graves complicaciones fisiológicas. Una alternativa a estas técnicas es la hipertermia basada en el uso de coloides magnéticos que son capaces de disipar calor bajo la acción de un campo electromagnético. Estos coloides están compuestos por nanopartículas magnéticas biocompatibles estabilizadas para evitar que se

formen agregados (R. Hergt et al. IEEE Trans. Mag. 34, 3745 (1998)). A este tipo de tratamiento se lo denomina hipertermia magnética o fluidomagnética.

El objetivo de la hipertermia magnética es aprovechar la diferencia en resistencia térmica entre células sanas y tumorales y, elevando localmente la temperatura de un tumor mediante el calentamiento de partículas o nanopartículas magnéticas en un campo electromagnético, matar las células malignas sin dañar el tejido sano circundante. De esta manera, sólo se calentará el tejido que contiene una determinada concentración de las partículas magnéticas, independientemente de su localización en el cuerpo. Esta técnica es aún más localizada que el resto de las terapias de hipertermia, ya que las nanopartículas magnéticas pueden marcarse biológicamente para que se localicen en el tumor o pueden inyectarse directamente en el tumor si el mismo es accesible desde el exterior, como en el caso de un tumor de mama o de próstata (Hilger et al. Nanomedicine 2, 164 (2011); Johannsen et al., Int. J. Hypertherm. 26, 790 (2010)). La generación de energía disipada por el material magnético puede producirse por la inversión del momento magnético dentro del dominio o por rotación mecánica de las partículas. En ambos casos la disipación de energía del material magnético se traduce en calor, incrementando la temperatura de su entorno.

Con el fin de minimizar la cantidad de partículas introducidas en el cuerpo y reducir los riesgos de toxicidad de las mismas, es necesario que las nanopartículas tengan la mayor eficiencia en la producción de calor, es decir, que sean capaces de generar la máxima energía con la menor cantidad de partículas.

Convencionalmente, se determina la eficiencia de calentamiento de cada material midiendo la potencia disipada por unidad de masa del material, que se denomina tasa de absorción específica (SAR, por sus siglas en inglés). La medida del SAR depende de la capacidad calorífica del medio y de la

concentración de nanopartículas, y viene dada por la expresión matemática SAR = (C/cw)*(AT/At), donde C es la capacidad calorífica del coloide magnético, Cw es la concentración de las partículas en el líquido, y AT es el incremento de temperatura que se produce en el tiempo At cuando la suspensión está bajo la acción de un campo electromagnético alterno.

Actualmente, la determinación del SAR se realiza midiendo el incremento de temperatura por unidad de tiempo de una determinada concentración de partículas en suspensión coloidal que se encuentra bajo la acción de un campo electromagnético (Hergt, IEEE Trans. Magn. 34, 3745 (1998)). Debido a que normalmente se mide en condiciones no-adiabáticas, el SAR se calcula con la pendiente de la curva de temperatura medida en los primeros segundos (de la Presa et al, J. Phys. Chem C 116, 25602 (2012)). Este tipo de medida no tiene en cuenta el intercambio de calor del coloide magnético con el medio circundante, por lo que muchas veces el valor obtenido del SAR no coincide con las pérdidas de energía en el material magnético. Otras fuentes de error son el intervalo de tiempo en el que se calcula la pendiente del Incremento de temperatura, que puede introducir cambios en la pendiente dependiendo de los extremos del intervalo en que se calcula, o la desviación de la linealidad de la dependencia térmica del coloide (Wang et al., IEEE Trans. Magn. 49, 255 (2013)). Además, la concentración de partículas que se utiliza para medir el SAR es normalmente baja (~ 1 - 5% en peso), lo que permite aproximar el calor específico del coloide magnético al calor específico del agua. Sin embargo, esta aproximación deja de ser válida para altas concentraciones de partículas.

La determinación precisa del valor del SAR es fundamental para entender los parámetros que controla la velocidad de generación de calor y así ser capaces de optimizar la cantidad de partículas necesarias para la terapia térmica en ciertas condiciones de campo y frecuencia.

Este invento mide de forma exacta el valor de! SAR eliminando la contribución del intercambio de calor del coloide con su entorno, evitando los problemas del cálculo de la pendiente del incremento de temperatura y de la aproximación del calor específico del coloide magnético al calor específico del agua.

Descripción detallada de la invención

Calorímetro diferencial y método para la medida de la tasa de absorción específica de coloides magnéticos sometidos a campos electromagnéticos.

La presente invención se refiere a un método para la determinación de la tasa de absorción específica de partículas magnéticas en suspensión coloidal sometidas a campos electromagnéticos. Este método comprende: someter un coloide de partículas magnéticas de concentración conocida, y aislado térmicamente de su entorno, a un campo electromagnético; medir la diferencia de temperatura entre el coloide del paso anterior y un coloide de partículas magnéticas idéntico al anterior y aislado térmicamente de su entorno que no está sometido a un campo electromagnético; aumentar la temperatura del coloide de partículas magnéticas no sometido a un campo electromagnético hasta igualar la temperatura del coloide de partículas magnéticas aislado térmicamente de su entorno y sometido a un campo electromagnético, mediante una resistencia no inductiva de bajo coeficiente térmico; y determinar la potencia disipada en la resistencia no inductiva de bajo coeficiente térmico.

Así mismo, la invención se refiere a un dispositivo de calorímetro diferencial de hipertermia, en adelante dispositivo de la invención, para la medida de la tasa de absorción específica de coloides magnéticos sometidos a un campo electromagnético.

En esta memoria descriptiva, el término coloides magnéticos se refiere a partículas magnéticas en suspensión coloidal.

El dispositivo comprende (Fig 1): dos recipientes (1) y (2) con una cavidad interior y térmicamente aislados del medio exterior; dos sondas temnométricas colocadas una (3) en el recipiente (1) y la otra (4) en recipiende (2); un sistema de control (5); una resistencia R de carga de bajo coeficiente térmico, del orden de ±10 ppm/°C o menor, (6); un sistema de amplificación de potencia y adquisición de datos (7) y un equipo de generación de campos electromagnéticos (8),

Preferentemente, los recipientes (1) y (2) están fabricados con un material que sea aislante eléctrico como, por ejemplo, cerámicas o plásticos.

Además, el dispositivo puede incluir un sistema de refrigeración (11) para mantener el aislamiento térmico de los recipientes (1) y (2) que, a su vez, puede incluir un sistema de vacío y/o un baño térmico (figura 2).

Se introduce...

1. Método para la determinación de la tasa de absorción específica de partículas magnéticas en suspensión coloidal sometidas a campos electromagnéticos que comprende:

- someter un coloide de partículas magnéticas de concentración conocida y aislado térmicamente de su entorno a un campo electromagnético;

- medir la diferencia de temperatura entre el coloide del paso anterior y un coloide de partículas magnéticas idéntico al anterior y aislado térmicamente de su entorno que no está sometido a un campo electromagnético;

- aumentar la temperatura del coloide de partículas magnéticas no sometido a un campo electromagnético hasta igualar la temperatura del coloide de partículas magnéticas aislado térmicamente de su entorno y sometido a un campo electromagnético, mediante una resistencia no inductiva de bajo coeficiente térmico;

- determinar la potencia disipada en la resistencia no inductiva de bajo coeficiente térmico.

2. Calorímetro diferencial para la medida de la tasa de absorción específica de partículas magnéticas en suspensión coloidal sometidas a campos electromagnéticos que comprende:

- un recipiente (1) aislado térmicamente de su entorno en el que se introduce un coloide de partículas magnéticas de concentración conocida y que se dispone en un campo electromagnético;

- otro recipiente (2) de iguales características que el recipiente (1) e igualmente aislado térmicamente, donde se introduce la misma cantidad del mismo coloide de partículas magnéticas que en el recipiente (1) y una resistencia no inductiva de bajo coeficiente térmico (6) sumergida en dicho coloide;

- un sistema de generación de campos electromagnéticos (8);

- una sonda termométrica (3) que toma la temperatura del coloide del recipiente (1) y otra sonda termométrica (4) que toma la temperatura del coloide del recipiente (2);

- un sistema de control (5) que compara las temperaturas de los coloides magnéticos en los recipientes (1) y (2) por medio de las sondas termométricas (3) y (4);

- un sistema de amplificación de potencia y adquisición de datos (7) que aplica a la resistencia (6) la corriente o voltaje necesarios para igualar la temperatura del coloide de partículas magnéticas del recipiente (2) a la temperatura detectada en el coloide de partículas magnéticas del recipiente (1) por la sonda (3), y recoge la señal de voltaje o intensidad con la que se alimenta la resistencia (6).

3. Calorímetro diferencial según la reivindicación 2 en el que los recipientes

(1) y (2) están fabricados con un material aislante eléctrico.

4. Calorímetro diferencial según cualquiera de las reivindicaciones 2-3 que incluye un sistema de refrigeración (11) para mantener los recipientes (1) y

(2) a la misma temperatura exterior.

5. Calorímetro diferencial según la reivindicación 4 en el que el sistema de refrigeración incluye un sistema de vacío para mantener el aislamiento térmico de los recipientes (1) y (2).

6. Calorímetro diferencial según cualquiera de las reivindicaciones 4-5 en el que el sistema de refrigeración incluye un baño térmico.