相關(guān)申請資料的交叉引用

本申請要求美國臨時專利申請序列no.62/072，656的優(yōu)先權(quán)，其通過引用整體并入本文。

本申請一般涉及治療試劑遞送領(lǐng)域，更具體地涉及一種或多種治療試劑的磁輔助遞送。

背景技術(shù)：

在常規(guī)的磁性藥物遞送中，由治療試劑涂覆或含有治療試劑的磁響應(yīng)物體可以進(jìn)行全身注射，然后通過施加的磁場聚焦到體內(nèi)的靶上。在這種常規(guī)磁療中，通常將外部磁體放置在身體外部，并吸引(拉入)磁響應(yīng)物體。例如，磁體可以鄰近于腫瘤放置，將磁響應(yīng)物體例如氧化鐵納米顆粒吸引至自身，并因此將它們集中在腫瘤位置。這可以用于治療癌癥、中風(fēng)、感染和其它疾病，因為其允許將治療集中到疾病部位(例如，實體瘤、血栓、感染等)，同時保持全身濃度較低(從而最小化副作用)。磁響應(yīng)物體可以是微米級或納米級的氧化鐵或其它顆?；蛭矬w，其被適當(dāng)?shù)刂苽浜屯扛?，以具有生物相容性和治療上的有效性?/p>

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開提供用于磁性劑遞送的改進(jìn)的裝置、系統(tǒng)和方法。特別地，其公開了可以磁性地注射或推離磁響應(yīng)物體例如氧化鐵納米顆粒的裝置、系統(tǒng)和方法。

附圖說明

在附圖的圖中顯示裝置、系統(tǒng)和方法的實施方式，這些附圖旨在是示例性和非限制性的，其中相同的附圖標(biāo)記旨在表示相似或相應(yīng)的部分，其中：

圖1a顯示使用附接到其的第二較小的相反矩形n→s磁體來磁性注射具有第一(基底)s→n矩形磁體的試劑的示例性裝置；

圖1b顯示由圖1a的裝置的磁體產(chǎn)生的磁場、所產(chǎn)生的磁推動節(jié)點和所產(chǎn)生的磁推力；

圖2顯示能夠進(jìn)行磁推動的裝置參數(shù)的選擇。推力fx根據(jù)l1(第一磁體長度)和l2(第二磁體長度)的參數(shù)選擇進(jìn)行繪制，以使得能夠選擇磁體尺寸和磁體磁化強(qiáng)度和定向，從而實現(xiàn)推動；

圖3顯示由兩個相反的盤形磁體組成的第二示例性推動裝置；

圖4顯示由三個盤形磁體組成的第三示例性裝置的實驗演示，顯示磁推動節(jié)點的存在和磁響應(yīng)顆粒抵抗重力的推動；

圖5顯示第四示例性實施方式，其中相反的磁體是電磁體；

圖6顯示用于磁性注射具有由高導(dǎo)磁率材料制成的兩個細(xì)長突出件的試劑的第五示例性裝置；

圖7顯示用于磁注射具有由高導(dǎo)磁率材料制成的兩個三角形突出件的試劑的第六示例性裝置；以及

圖8顯示用于磁性注射具有由超導(dǎo)材料制成的突出件的試劑的裝置。

圖9顯示最小凸集。

具體實施方式

本文公開的示例性實施方式包括用于將活性試劑引導(dǎo)到靶位點的裝置、系統(tǒng)和方法。用于磁性地引導(dǎo)與包括納米顆粒的磁性顆粒相關(guān)聯(lián)的試劑(或治療試劑)的一個操作原理涉及磁體的布置。磁體可以具有北極(n)和南極(s)，所述北極和南極將磁性顆粒制劑或試劑從遠(yuǎn)離靶位點(例如在接近于靶位點的表面或腔上(例如，耳孔)，或者另外地在靶組織附近)施用的容器或液體/凝膠溶液或乳膏或粉末引導(dǎo)至該靶位點。使用這個原理，具有多個磁體或磁性元件的裝置可以將試劑從容器或液體/凝膠溶液或者乳膏或粉末引導(dǎo)至靶位點。在一個實例中，例如存在于磁性或磁響應(yīng)顆粒中的活性試劑，可以遠(yuǎn)離靶位點施用(例如，到身體的皮膚上、眼睛的表面上和耳道內(nèi))，并且該裝置可以“推動”顆?；?qū)︻w粒施加力(f)，從而將顆粒引導(dǎo)到靶位點(t)(例如，到皮膚下的靶，進(jìn)入眼睛，進(jìn)入中耳或內(nèi)耳中)。在該實例中，該裝置可以與包括醫(yī)療納米技術(shù)的醫(yī)療技術(shù)的其他方面結(jié)合使用。例如，可以使用諸如超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑或顆粒的納米技術(shù)。

該裝置可以包括耦合到基底磁體的材料添加物、覆蓋物或突出件。這些添加物、覆蓋物或突出件本身可以是磁體或磁性材料，或者可以具有期望的磁性能，例如低或高的相對導(dǎo)磁率。磁體可以是永磁體或電磁體或者是兩者的組合。磁體可用于在突出件中感應(yīng)磁化。添加物、覆蓋物或突出件的磁性或突出件的感應(yīng)磁化可以作用于由基底磁體產(chǎn)生的原磁場，以使其變形并產(chǎn)生推動節(jié)點或推動區(qū)域。

推動節(jié)點或推動區(qū)域被定義為零磁場強(qiáng)度或更低磁場強(qiáng)度的點或區(qū)域，所述點或區(qū)域被非零或更高的磁場強(qiáng)度包圍。其是最小磁場的限制區(qū)域。例如，磁體、材料添加物、覆蓋物或突出件可以被布置成使得磁場將抵消推動節(jié)點處的零磁場，而不會在該點周圍抵消。這種“冷點”或局部最小的磁場強(qiáng)度可以起到推開超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑或顆粒的作用，因為這些試劑或顆粒將被吸引到推動節(jié)點外部的較高強(qiáng)度的磁場，因此將承受遠(yuǎn)離推動節(jié)點或推動區(qū)域的向外的力。

突出件可以是例如磁性材料、永磁體或電磁體。此外，與磁體的導(dǎo)磁率相比，突出件可以具有不同的相對導(dǎo)磁率。這可能導(dǎo)致該裝置的磁場變形，從而產(chǎn)生低磁場強(qiáng)度的受限的推動節(jié)點或推動區(qū)域。推動節(jié)點或推動區(qū)域使得該裝置能夠?qū)⒃噭┗蛭⒘＿h(yuǎn)離該裝置以及朝向靶位點進(jìn)行磁力推動或注射。

通常，磁場是最接近于它從其放射然后通常減小的磁體。另一方面，本公開的裝置產(chǎn)生整體變形的磁場，所述磁場在該裝置附近產(chǎn)生局部磁場“冷點”(即，推動節(jié)點或推動區(qū)域)，磁場圍繞該“冷點”加強(qiáng)。遠(yuǎn)離(向外)該裝置的磁場的這種增加可以推開超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑或顆粒。

圖1a顯示具有基底磁體102(沿向上方向從南104至北106磁化)和較小的相反的磁體108(沿向下方向從南110至北112磁化)的示例性裝置，所述較小的相反的磁體108對磁性試劑或可磁化試劑產(chǎn)生推動節(jié)點114和合成的推力116。待被磁性地推動的試劑或物體可以是超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑或顆粒。推動節(jié)點114是裝置上方的最小磁場的受限區(qū)域，并且可以通過操縱磁體的幾何形狀、尺寸、磁化強(qiáng)度和定向來選擇具有期望的特性，如本文所詳述的。受限的最小磁場產(chǎn)生用于將試劑磁性地注射入靶位點的推力116。

下面詳細(xì)描述麥克斯韋方程的數(shù)值模擬，以說明示例性的裝置構(gòu)造。在每個模擬中，使用了永磁體。然而，一些或所有永磁體可以由電磁體替代，而不會顯著改變裝置的性能或特性。類似地，可以選擇裝置構(gòu)造，所述裝置構(gòu)造使用電磁體或使用改進(jìn)形狀和構(gòu)造的附加材料，以校正永磁體和電磁體之間的任何差異，并且所述裝置構(gòu)造產(chǎn)生與本文所描述的類似的性能。圖中的陰影表示磁場的強(qiáng)度(對于高磁場強(qiáng)度為暗的，對于零或低磁場強(qiáng)度為亮的，因此，推動節(jié)點或推動區(qū)域在圖1b，6，7和8中呈現(xiàn)為白色或淺灰色)。。黑色箭頭表示對試劑的合成力。這些箭頭在鄰近于推動節(jié)點的推動區(qū)域的位置處顯示。

圖1b顯示圖1a中所示類型的示例性裝置的磁場、推動節(jié)點和磁推力。該示例性裝置由兩個矩形磁體組成，基底磁體102(沿著向上方向從南104至北106被磁化)和較小的相反的磁體108(向下方向從南110至北112被磁化)產(chǎn)生磁場，所述磁場強(qiáng)度由灰色陰影118表示。暗陰影對應(yīng)于高磁場強(qiáng)度，亮陰影對應(yīng)于低磁場強(qiáng)度或零磁場強(qiáng)度。所公開的本發(fā)明的組合磁體產(chǎn)生磁場，所述磁場具有位于該裝置外部(上方)的受限磁場的最小值(推動節(jié)點114)。磁場強(qiáng)度從該受限磁場的最小值向外增加，產(chǎn)生對磁性試劑或磁響應(yīng)試劑的向外的推力116，所述磁性試劑或磁響應(yīng)試劑是例如超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑或顆粒。

選擇磁體尺寸、幾何形狀、磁化強(qiáng)度和定向以實現(xiàn)在該裝置外部的推動是不明顯的，在下文中描述了選擇裝置參數(shù)以啟用推動的示例性過程。從下面描述的過程，特別是從圖2的示例性設(shè)計空間，清楚的是，只有一小組的裝置參數(shù)才能實現(xiàn)推動，并且這些參數(shù)必須如下文所公開的那樣適當(dāng)?shù)剡x擇。一旦已經(jīng)選擇和公開了有效的推動裝置設(shè)計，如在本發(fā)明公開中那樣，則在本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以實現(xiàn)附加設(shè)計或設(shè)計修改的選擇。例如，如果該裝置中的所有磁體的尺寸增加一定量，例如所有的磁體都制成兩倍大，則所得到的設(shè)計也將有效地推動。同樣地，如果所有磁體的磁化均增加或降低了一定量，例如所有的磁化均制成兩倍大，則裝置也會推動(并且會推動高于四倍的強(qiáng)度，因為推動與磁化的平方有關(guān)，詳情如下)。此外，如果每個磁體的磁化定向相反，如果所有磁體均由從北向南改變成從南向北，則磁體將相互保持正確的相反，并產(chǎn)生具有相同推動性能的等效裝置。一些或所有永磁體可以由電磁體所代替，所述電磁體提供等效或類似的磁場。該裝置內(nèi)的單個磁體可以由兩個或更多個磁體代替，所述兩個或多個磁體一起用作原磁體(例如，一個s→n磁體可以被兩個相鄰的磁體代替，其尺寸的一半具有對準(zhǔn)的[不相反的]磁化s→n和s→n，其一起與原始單個磁體的作用相同，如圖4所示)。對本發(fā)明的這些和其它修改將被熟悉磁體和磁性的本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解、不改變本發(fā)明的基本特征并因此落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。

圖2顯示當(dāng)實施根據(jù)本公開的雙磁體裝置時的裝置參數(shù)的選擇。對于由兩個矩形磁體組成的裝置(如圖1a所示)，可以考慮九個裝置參數(shù)：六個磁體尺寸；兩個磁化強(qiáng)度(包括根據(jù)其符號的每個磁體的磁化極性)；以及該裝置和磁推動區(qū)域之間的距離。

圖1a所示的矩形裝置中的磁體的尺寸和磁化強(qiáng)度/方向可以基于以下公開的過程來選擇，以實現(xiàn)磁推動。類似的過程可用于兩個磁體，所述磁體具有交替形狀，例如圓盤形或截頂?shù)恼叫位驁A形金字塔形或其他形狀。同樣，類似的設(shè)計過程可以應(yīng)用于具有三個或更多個磁體或磁性元件的系統(tǒng)。該過程的目標(biāo)是選擇系統(tǒng)的參數(shù)(磁體的幾何形狀和磁化)，以實現(xiàn)有效的磁推動。該選擇過程是不明顯的，接下來描述圖1a的示例性矩形雙磁體系統(tǒng)。

施加到磁性(例如，超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性)的顆粒或試劑的力從低到高的磁場強(qiáng)度而起作用。換句話說，治療試劑被吸引到具有較高磁場強(qiáng)度的區(qū)域，并且從較低磁場強(qiáng)度的區(qū)域排出。這由磁性藥物靶向領(lǐng)域中已知的以下方程式表示：

f＝k▽(h²)方程1

f是對試劑的力；

k是取決于試劑的尺寸、形狀和性質(zhì)的常數(shù)

(k對于超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性和順磁性的試劑是正的)；

▽是空間梯度算子；和

h是所施加的磁場。

方程1中的粗體字表示向量。此外，力f由磁場平方的梯度給出，因此不一定與磁場h的方向相同。

磁體周圍的磁場的空間分布通過麥克斯韋方程式描述(例如，fleisch的《astudentsguidetomaxwellequations(麥克斯韋方程的學(xué)生指南)》)。例如，在圖1a中，由t1>0(正)表示的基底磁體的磁化指的是南至北是基底磁體的上行方向，第二磁體t2<0(負(fù))的磁化指的是南向北是第二磁體的下行方向。在磁體周圍產(chǎn)生的磁場與其磁化成比例，該磁化可以進(jìn)一步具有一定向。因此，磁體1周圍的磁場可以表示為t1h1(x，y，z)，磁體2周圍的磁場可以表示為t2h2(x，y，z)。這里，h1和h2是當(dāng)磁體被磁化到正好1特斯拉時每個磁體周圍的磁場(對于每個磁體的具體幾何形狀和放置)。由于麥克斯韋的磁場方程是線性的，并且假定來自一個磁體的磁化t1基本上不改變(即消磁)另一個磁體的磁化t2，反之亦然，經(jīng)推測，由該裝置的兩個磁體產(chǎn)生的磁場是單獨各磁體的磁場的總和。從中推導(dǎo)出在所需推動位置(點p)處的磁場可以表示為：

h(p)＝t1h1(p)+t2h2(p)方程2

從方程1和2可以看出，位置p處的磁力(f)表示為：

方程3

對于磁體幾何形狀(l1，w1，h1，l2，w2，h2)的任何選擇，可以通過數(shù)值方法(例如，通過計算磁場的軟件)容易地計算這些數(shù)量h1(p)和h2(p)及其空間導(dǎo)數(shù)?？商娲?，在一些情況下，數(shù)量h1(p)和h2(p)可以通過分析公式來計算，例如對于矩形磁體，engel-herberta和hesjedal，《computationofthemagneticstrayfieldofauniaxialmagneticdomain(單軸磁疇中磁性雜散場的計算)》，j，《應(yīng)用物理學(xué)》，97，74504(2005年3月)中提供的那些，，類似的公式應(yīng)用于盤形磁體和其他形狀的磁體。

針對任何裝置幾何形狀以及磁體磁化強(qiáng)度和定向，現(xiàn)在可以容易地計算沿裝置中心線的力的分量。對于圖1a，使z為垂直軸線，并設(shè)置：

a＝kd/dz[h1(p)]²，b＝kd/dz[h1(p)·h2(p)]，c＝kd/dz[h2(p)]²

然后

fz＝at1²+2bt1t2+ct2²方程4

而a、b和c取決于該裝置的尚待選擇的幾何形狀。

使用方程4，可以設(shè)計有效的雙磁體推動系統(tǒng)。對于本公開的裝置，有利的是顯示正的fz。為了確保實現(xiàn)正的fz值，應(yīng)仔細(xì)檢查a、b、c、t1和t2項的符號。由于hz的強(qiáng)度(即來自每個磁體的磁場的z分量)隨著距離磁體的距離增加而減小(因為距離磁體越遠(yuǎn)，磁場就變得越弱)，因此由單調(diào)遞減的hz的d/dz空間導(dǎo)數(shù)形成的a、b和c總是為負(fù)。相反，t1²和t2²是平方，并且總是正的。

磁體的磁化強(qiáng)度由磁體補(bǔ)料的物理性質(zhì)確定，并且受到制造、成本和安全性考慮的限制。在本公開的裝置內(nèi)使用的永磁體可以具有例如-1.5特斯拉≤t1≤+1.5特斯拉和-1.5特斯拉≤t2≤+1.5特斯拉的范圍的磁化t1和t2。(電磁體可以具有更大的磁化，但由于成本和安全性考慮也會具有限制)。正如這些范圍所示，t1和t2可以是正的或負(fù)的，它們的符號表示磁化方向(正的磁化指的是圖1a中的向上的磁化和負(fù)磁化指的是圖1a中向下的磁化)。如果磁體的磁化強(qiáng)度不受限制，則裝置可以設(shè)計成產(chǎn)生無限強(qiáng)度的推力。這是因為力與磁化(平方)強(qiáng)度成比例-使兩個磁體的磁化雙倍，將使力成為四倍，無限強(qiáng)的磁化將導(dǎo)致無限強(qiáng)的推力。因此，對于永磁體。根據(jù)本公開的適當(dāng)最大化/優(yōu)化的方程4可以表示為：

fx＝at1²+2bt1t2+ct2²

其中|t1|≤1.5特斯拉，|t2|≤1.5特斯拉.方程5

(對于電磁體，該極限可能高于1.5特斯拉)

已經(jīng)描述了1.5特斯拉的絕對值是最大允許永磁體磁化的實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，不同的情況(例如，永磁體、電磁體對比永磁體實現(xiàn)中的未來進(jìn)展)可能導(dǎo)致不同的實現(xiàn)的最大允許磁化。

通過使用在優(yōu)化領(lǐng)域中已知的方法，特別是拉格朗日乘數(shù)的方法，或通過相對于(t1，t2)獲取fz的梯度，可以顯示的是，(t1，t2)的最佳選擇可以發(fā)生在本文描述的示例性約束邊界上(即，在|t1|＝1.5特斯拉上和在|t2|＝1.5特斯拉上)。例如，設(shè)置t2＝1.5特斯拉，則關(guān)于t1，使fz＝at1²+3bt1+2.25c。這是標(biāo)準(zhǔn)的二次方程，因此使fz最大化的值為t1*＝-3b/2a。如果該值(即-3b/2a)在|t1|≤1.5特斯拉范圍之外，則最接近于-3b/2a的值是t1*“最佳”值。一起，剛剛描述的t1*和t2＝1.5特斯拉是磁化(t1，t2)的一個最佳選擇。

可以通過以下獲得三個附加的最佳對：設(shè)置t2＝-1.5特斯拉并計算t1*；或者通過設(shè)置t1＝+1.5特斯拉，然后設(shè)置為-1.5特斯拉，并計算兩個更優(yōu)的t2*值。因此，至少有四個電位對(t1*，t2*)，以使推力fz最大化。一旦計算了四對，則應(yīng)選擇最佳對(即具有最高正值fz的對)。例如，如果a＝1，b＝0.5，和c＝1，則最佳磁化對為(t1*，t2*)＝(-0.75，+1.5)，其產(chǎn)生fz＝1.6875的正推力。如果不是，例如，a＝1，b＝1和c＝1，則非計算的(t1，t2)對產(chǎn)生正向力。因此，存在可能表現(xiàn)出磁力推力(第一種情況)或只能表現(xiàn)出磁力拉力(第二種情況)的裝置的幾何形狀。這里公開的一個關(guān)鍵的發(fā)明特征是能夠有效推動的磁體設(shè)計的選擇。

為了選擇有益的裝置的幾何形狀，應(yīng)該選擇并且然后固定該裝置到推動區(qū)域的中心的距離d。例如，為了將治療有磁力地推向成人的耳穴，距離d＝4cm＝0.04m可能是有益的，因為這是成人患者從固定到頭部外部的裝置到耳蝸的預(yù)期距離，因此是為了將治療有磁力地注射到耳蝸中推力所必須發(fā)生的距離。

對于該裝置也可能是有益的是在x和y水平軸上對稱。為了實現(xiàn)這種對稱裝置，可以假設(shè)如下：h1＝w1和h2＝w2。具有設(shè)定的d，并且如上所述知道如何選擇最佳(t1*，t2*)對，剩下的4個參數(shù)(l1，w1，l2，w2)是可確定的。換句話說，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的和最大的磁推動的兩個磁體的長度和寬度是可確定的。

選擇這些剩余設(shè)計參數(shù)的一個示例性過程涉及數(shù)值地搜索對稱裝置的四維參數(shù)空間(l1，w1，l2，w2)。對于任何(l1，w1，l2，w2)，系數(shù)a、b和c可以通過在engel-herbert和hesjedal中(《calculationofthemagneticstrayfieldofauniaxialmagneticdomain(單軸磁疇中磁性雜散場的計算)》，j.《應(yīng)用物理學(xué)》。97，74504(2005年3月))的分析公式計算。一旦針對(l1，w1，l2，w2)的任何選擇，找到a、b和c，則可以通過上述(t1*，t2*)選擇過程來選擇(t1*，t2*)。因此，對于每個(l1，w1，l2，w2)，這產(chǎn)生最大的推力設(shè)計。為了選擇最佳(最大力)(l1，w1，l2，w2)參數(shù)，因此，示例性過程是首先選擇最小和最大磁體寬度和磁體長度。然后選擇一(l1，l2)對，然后選擇網(wǎng)格上的所有(w1，w2)對，以計算(t1*，t2*)和合力fz，然后選擇達(dá)到最大力fz*的對(w1*，w2*)。

這種示例性優(yōu)化裝置設(shè)計程序的結(jié)果在圖2中顯示。該圖顯示推力fz的強(qiáng)度對可能選擇的l1和l2(磁體102的長度和磁體108的長度)。對于每對(l1，l2)，根據(jù)上述方法已經(jīng)選擇了最佳(w1*，w2*，t1*，t2*)、磁體寬度和磁化。陰影202表示磁推動的程度。黑暗陰影表示沒有磁力推動的無效設(shè)計(如204所示例)或磁推動可忽略(如206所示例)。對應(yīng)于具有小的第二磁體108的大的第一(基底)磁體102的在頂部左側(cè)的淺白色區(qū)域是產(chǎn)生有效推動的唯一區(qū)域(示例為208)。圖中底部提供了這個白色“推動是可能”的區(qū)域中的磁體設(shè)計的詳細(xì)規(guī)格(如210所示)。對于也在圖1b中示例的該示例性設(shè)計，第二磁體108具有與基底磁體102相比特定的更小的尺寸，并且具有相反的磁化(如在圖2的底部具有相反標(biāo)記的t1*和t2*所示的那樣)。

選擇裝置設(shè)計的優(yōu)化可以包括與本文所述的方法等效的使用數(shù)值方法、半數(shù)值方法和分析方法。上述方程可以通過除了所描述的方法之外的其他方法來優(yōu)化。例如，可以通過例如梯度下降、二次方程式優(yōu)化、分支和約束、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和本領(lǐng)域已知的其它方法的數(shù)值方法來優(yōu)化方程式。還應(yīng)當(dāng)理解，本文公開的方程可以被修改以解釋相關(guān)的、不同的或附加的因素，例如磁飽和、電磁體、電磁體中的實體芯或空氣芯或不同于上述的其他形狀的超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑。

圖2所示的設(shè)計空間表示只有一小部分設(shè)計可以實現(xiàn)磁力推動，并且磁體尺寸和磁化的選擇能夠?qū)崿F(xiàn)有效的推動。

一旦已經(jīng)公開了一個或幾個有效的磁體推動設(shè)計，如本公開那樣，則在本領(lǐng)域中了解的個人可以直觀地看到其他類似或等效的設(shè)計，這些設(shè)計也將實現(xiàn)磁推動。例如，她或他可以用兩個等效的半尺寸磁體替換一個磁體，所述等效的半尺寸磁體沿著與單個磁體相同的方向從南至北定向，或者他或她可以用稍微較大的不太強(qiáng)的磁體代替小的強(qiáng)的相反的磁體，或者他或她可以將整個系統(tǒng)縮放到更大或更小，或者他或她可以選擇相似尺寸的磁體，或者他或她可以在兩個磁體設(shè)計中倒轉(zhuǎn)兩個磁體的磁化方向(s至n然后n至s可以改為n至s然后s至n，這是一個等效的設(shè)計，因為它是導(dǎo)致磁推動的對抗力)。這種和其它修改保留了本發(fā)明的基本特征，并且將落在本公開的范圍內(nèi)。此外，除了上面公開的示例性優(yōu)化和設(shè)計方法之外，還可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的優(yōu)化的其他分析程序或數(shù)值程序，例如梯度下降、分支和約束、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等，以選擇磁體推動設(shè)計。附加或不同的選擇、設(shè)計或優(yōu)化技術(shù)的使用保留上述公開的發(fā)明特征并落在本公開的范圍內(nèi)。

現(xiàn)在注意圖3，其顯示替代的示例性推動裝置。這里，磁體是盤形的，而不是如圖1a中的矩形。第一(基底)磁體302在向上的方向上被磁化成南304至北306。第二較小的盤形磁體308沿向下的方向被磁化為南310至北312。當(dāng)使用如上所述的方法適當(dāng)?shù)剡x擇幾何形狀和磁化強(qiáng)度時，磁體的這種布置和磁化可以在該裝置外部和上方產(chǎn)生推動節(jié)點314。然后，該推動節(jié)點對超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑或顆粒產(chǎn)生推力316。

圖4顯示示例性實驗實施方式。設(shè)計該盤形磁體示例性裝置，并且使用與上述矩形磁體相似的程序來選擇其幾何形狀和磁化?；妆P形磁體402在向上方向上對南至北進(jìn)行磁化。在其上方，相反的兩個盤形磁體404在向下的方向上被磁化成相反的南至北。黃銅螺釘406插入穿過所有3個盤形磁體的中心并將組件固定在一起。已經(jīng)使用上述公開的方法并如圖2所示的那樣來仔細(xì)選擇磁體的強(qiáng)度和尺寸，以在裝置上方建立推動節(jié)點。該推動節(jié)點408向上磁力地推動磁力地響應(yīng)的(鐵)顆粒410，并使其浮動以抵抗重力。

如前所述，在替代性實施方式中，一些或所有永磁體可以由電磁體代替。圖5示例了基本上等效于圖1所示的設(shè)計的示例性裝置設(shè)計，除了永磁體已被電磁體代替外。第一(基底)磁體502現(xiàn)在是具有順時針電流(圖中從左到右，示為504)的電磁體。相對地，較小的第二磁體506具有逆時針電流(從右到左，示為508)。兩個相反方向的電流將針對兩個磁體產(chǎn)生相反的磁化。使用基本上類似于上面詳述的程序來選擇磁體的尺寸和電流的強(qiáng)度，則可以在系統(tǒng)上方和外部創(chuàng)建推動節(jié)點或推動區(qū)域510(受限最小磁場強(qiáng)度的位置)。對于圖1和圖2所顯示的永磁體裝置，這將對超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑或顆粒產(chǎn)生推力512。同樣對于永磁體，如果所有電磁體的定向相反，則它們將保持彼此相同的對立，并且它們的整體推動性能將保持不變。了解磁體和磁性的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將進(jìn)一步認(rèn)識到，電磁體可以用不同類型的線圈繞組構(gòu)造，而具有或不具有空氣芯或?qū)嶓w芯，有或者沒有冷卻，并且這些不同的電磁體的實施不改變本公開的基本特征，并繼續(xù)落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。

現(xiàn)在注意裝置構(gòu)造的元件。如上所述的相反的磁體將通常在其間具有趨向于將它們推開的力，但是磁體可以通過本領(lǐng)域已知的各種方式結(jié)合在一起。兩個(或多個)相反的磁體可以通過膠水、環(huán)氧樹脂或粘合劑固定在一起。為了提供額外的強(qiáng)度，兩個或更多個磁體或磁性元件也可以通過另一種材料的涂層或帶來完全或部分地被包圍，例如通過在整個裝置周圍的環(huán)氧樹脂涂層或通過塑料、橡膠、金屬(磁性或非磁性)或起作用或進(jìn)一步起作用以將磁體或磁性材料保持在一起的其他材料的帶。磁體可以使用扎線帶(zipties)，通過螺釘和螺母(磁性或非磁性)，并且通過放入適當(dāng)形狀的固定器內(nèi)，例如通過插入由各種方法(塑料成型，3d打印等)制造的強(qiáng)塑料固定器中來附接至彼此。對于合適的磁體材料，磁體也可以例如通過硬釬焊(houska，美國專利no.3923232)焊接在一起。本領(lǐng)域中已知的其它方法是將磁體牢固地附接在一起，使用這種其它方法將磁體附接在一起將不會改變根本的本發(fā)明的方面，并因此仍然落在在本發(fā)明的范圍內(nèi)。對于電磁體，兩個或更多個電磁體可以通過外部殼體，通過共享的實體芯或通過彼此附接的實體芯或通過本領(lǐng)域已知的其它方式固定在一起。

現(xiàn)在注意附加的示例性裝置，其由具有可實現(xiàn)推力的添加的材料突出件的基底磁體組成。圖6至圖8示例被構(gòu)造為產(chǎn)生磁推力的裝置。裝置包括第一基底磁體或磁性元件102以及耦合到磁體或磁性元件的一個或多個突出件602，702，802。雖然該裝置被示例和描述為具有一個基底磁體或磁性元件102，但是應(yīng)當(dāng)理解，該裝置可以包括超過一個的基底磁體或磁性元件。基底磁體或磁性元件102可以是永磁體或電磁體。突出件602，702，802可以由相同的材料制成，或者每個突出件可以由不同的材料制成。

圖6示例兩個高導(dǎo)磁率材料突出件602的添加。如本文所使用的高導(dǎo)磁率材料是具有高相對導(dǎo)磁率(μr)的材料。例如，磁性合金(高導(dǎo)磁率合金)材料可以具有μr>80，000。相比之下，永磁體材料的導(dǎo)磁率通常在μr≈4000的量級。因此，高導(dǎo)磁率材料的導(dǎo)磁率可以大于永磁體的導(dǎo)磁率達(dá)二十倍。突出件602改變磁場的分布(即，它們可以在裝置之內(nèi)或之上產(chǎn)生磁場最小節(jié)點604)。在圖6的示例性裝置中，在高導(dǎo)磁率突出件602之間產(chǎn)生兩個低磁場節(jié)點604。在這兩個節(jié)點604之間存在低磁場的橋，并且磁推力116從該橋向外發(fā)出。該推力116在裝置的上方和外部延伸。

突出件602可以具有正方形或細(xì)長的表面區(qū)域(如圖6所示)?；蛘?，突出件702可以具有三角形形狀(在圖7中示例)。圖7的三角形突出件702可以產(chǎn)生超出圖6所示的突出件602的推動區(qū)域704，在兩個三角形突出件之間具有合成的推力116。如圖8所示例，該裝置可包括由超導(dǎo)材料制成的突出件802。這樣的超導(dǎo)突出件802可以在其804上方產(chǎn)生低磁場強(qiáng)度節(jié)點或區(qū)域并且在節(jié)點116上方產(chǎn)生磁推力。當(dāng)使用超導(dǎo)材料時，該裝置可能需要保持在室溫以下，因為當(dāng)前的超導(dǎo)體經(jīng)常在室溫處和之上發(fā)生性能退化。

使裝置或系統(tǒng)滿足其他必要或有利的約束條件可能是有益的。例如，可以期望使該裝置小于一定的重量、能夠手持、適合手的形狀以方便醫(yī)生或臨床醫(yī)生進(jìn)行操作、或者在磁體之內(nèi)、周圍或之間具有腔或其他開放空間用于安裝光源或小型相機(jī)以便為醫(yī)生或臨床醫(yī)生提供視覺指導(dǎo)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，上面公開的示例性裝置和設(shè)計程序可以容易地修改為包括所考慮的這些可期望的特征，并且所得到的裝置、系統(tǒng)和方法將繼續(xù)落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。

一旦使用上述方法，磁性和磁性材料領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到圖中的示例是示例性的，并且存在具有不同形狀、不同磁性定向(例如s→n而不是n→s，或側(cè)向磁化而不是從頂部到底部)、不同形狀的添加材料和不同的材料性質(zhì)的磁體的其它情況，其也將是有效的，并且因此落在本公開的范圍內(nèi)。

應(yīng)當(dāng)理解，電磁體可以用作磁體或磁性元件，或者與磁體或磁性元件結(jié)合使用。電磁體是用電力供電的磁體。與永磁體不同，電磁體的強(qiáng)度可以通過改變流過其的電流量而容易地改變。電磁體的磁極甚至可以通過逆轉(zhuǎn)電流來反轉(zhuǎn)。

如果與磁性或可磁化的超順磁性、鐵磁性、亞鐵磁性或順磁性的試劑或顆粒相關(guān)聯(lián)的試劑是細(xì)胞，則該細(xì)胞可以是本身能夠響應(yīng)于磁場的任何生物細(xì)胞，或者可以包含一個或多個可以響應(yīng)于磁場的磁性顆?；蛟噭?。以這種方式，細(xì)胞也可以被本文公開的磁性系統(tǒng)和裝置推動。與本公開有關(guān)的所用細(xì)胞可以例如是內(nèi)皮細(xì)胞或外胚層衍生的、中胚層衍生的或內(nèi)胚層衍生的細(xì)胞。此外，來自組織或流體(例如來自血液)或來自動物或人類的細(xì)胞層的任何干細(xì)胞或成熟或未成熟細(xì)胞均可以被修改為在與本公開關(guān)聯(lián)下是有用的。

如果該裝置被設(shè)計為設(shè)置到人或動物體內(nèi)的內(nèi)部(體內(nèi))位置，則該裝置的外表面可以是生物相容的。任何這樣的裝置內(nèi)的任何非生物相容性的材料均可以包含在生物相容性材料內(nèi)或被其覆蓋，所述生物相容性材料不顯著限制或干擾磁場。與本公開的裝置結(jié)合使用的生物相容性涂層可包括例如各種生物相容性聚合物、金屬和其它合成的、天然的或生物的材料。

為了避免歧義，裝置的術(shù)語“外部”由最小凸集的已知概念定義。圖9a示例凸形對非凸形。在凸集或凸形101中，從形狀101的任何一點到任何其他點102的所有直線103本身完全在形狀101內(nèi)。在非凸形(例如，凹形201)中，直線203之一的至少一部分位于該形狀的外側(cè)。凸形和最小凸形的概念的一個來源是本公開提交日期截止之前的http://mathworld.wolfram.com/convex.html。存在其他多種標(biāo)準(zhǔn)來源，例如alexanderbarvinok的書籍《acourseinconvexity(凸度課程)》，其來自《研究生數(shù)學(xué)研究》，卷54。最小的凸形從許多中選出一個特定的凸形。為了說明，現(xiàn)在注意圖9b和9c，其顯示包含先前在圖1b和圖6中顯示的示例性裝置的磁體和磁性材料的最小凸集。最小凸集是完全容納磁體和磁性材料的最小凸形301，401。因此，在裝置外部被定義為在最小凸集外部，所述最小凸集包圍用于該裝置的所有磁體和磁性材料。因此，在圖9b中，推動節(jié)點114在該裝置外部。在圖9c中，推力位置116在該裝置外部，而示例點501不在該裝置外部。因此，在該裝置外部的推動節(jié)點被明確地定義為在最小凸形外部，所述最小凸形完全包圍該裝置的所有磁體和磁性材料。

上述詳細(xì)描述、本文所示例的實施例和附圖僅用于示例性的目的，并不意圖限制由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明及其等效物的范圍和精神。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以對本說明書中所公開的發(fā)明進(jìn)行許多變化，而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。