Miniature magnetic field generators for magnetic fluid hyperthermia applications

Abstract

Magnetic fluid hyperthermia (MFH) is a non-invasive cancer treatment in which magnetic nanoparticles are administered to cancerous tissues. This raises the temperature of the affected region above a certain threshold (43-47°C), when exposed to an alternating magnetic field, inducing programmed cell death. Heating induction systems have been used in the medical field to induce hyperthermia by means of a ferrofluid but to this day, there is no evidence of a laparoscopic instrument capable of carrying out such task. Therefore, this work proposes the design and implementation of a laparoscopic instrument capable of generating a high-frequency magnetic field to use in laparoscopic procedures and a larger design to compare results. The device was constructed by winding a 21-turn Litz wire miniature magnetic field generator. This special wire minimizes skin and proximity phenomena present in conductors, at high frequencies. The coil was water cooled, inside a polycarbonate tube, removing the heat dissipated by resistive losses. Magnetic field profile of both coils was obtained experimentally and through simulations. Performance of the completed devices was assessed by conducting in vitro experiments involving SKOV-3 SC2 ovarian cancer cell lines and Polyethylene glycol coated nanoparticles at a concentration of 1.2 mg/mL. Cooling chamber experiments showed no significant reduction in cell viability in cells treated with nanoparticles and maximum magnetic field intensity of 21 kA/m at 291 kHz during 30 minutes of exposure. The laparoscopic instrument reduced cell viability down to 75% in cells treated with nanoparticles exposed to a maximum magnetic field of 13 kA/m at 286 kHz. Uncoated magnetic nanoparticles were exposed to the magnetic field of the laparoscopic instrument to investigate their heating performance. A laparoscopic instrument capable of generating a high-frequency magnetic field, high enough to actuate on cancer cells, but small enough to spare nearby healthy cells, was successfully designed. Results demonstrate that nanoparticles heat solely by magnetic induction, but further design improvements and experimentation are needed to determine its efficiency in the medical field. Notwithstanding, this design is suitable to treat deep-seated tumors during laparoscopic procedures, which are unreachable by other designs, and eliminating tumor remnants which conventional surgery cannot remove.

Hipertermia por fluido magnético es un tratamiento de cáncer en donde nanopartículas magnéticas son administradas a tejidos cancerosos. Esto incrementa la temperatura de la región afectada por encima de cierto límite (43-47°C), cuando es expuesto a un campo magnético alternante, induciendo muerte celular programada. Sistemas de calentamiento por inducción han sido utilizados en el campo médico para inducir hipertermia por medio de un ferrofluido, pero hasta hoy no hay evidencia de un instrumento laparoscópico capaz de llevar a cabo tal tarea. Por lo tanto, este proyecto propone el diseño e implementación de un instrumento laparoscópico capaz de generar un campo magnético de alta frecuencia para ser utilizado en procedimientos de laparoscopía y un diseño más grande para comparar resultados. El dispositivo fue construido devanando un generador de campo magnético en miniatura de 21 vueltas con cable Litz. Este cable especial minimiza los fenómenos de ”piel” y proximidad presente en conductores, a altas frecuencias. El embobinado fue enfriado con agua, dentro de un tubo de policarbonato, removiendo así el calor disipado por pérdidas resistivas. El perfil de campo magnético de ambos embobinados fue obtenido experimentalmente y a través de simulaciones. El desempeño de los dispositivos completados fue determinado llevando a cabo experimentos in vitro involucrando líneas celulares de cáncer de ovario SKOV-3 SC2 y nanopartículas cubiertas de polietileno de glicol a una concentración de 1.2 mg/mL. Experimentos con la cámara de enfriamiento no mostraron una reducción significativa en viabilidad celular en células tratadas con nanopartículas y máxima intensidad de campo magnético de 21 kA/m a 291 kHz durante 30 minutos de exposición. El instrumento laparoscópico redujo la viabilidad celular a 75% en células tratadas con nanopartículas expuestas a 13 kA/m a 286 kHz. Nanopartículas sin recubrimiento fueron expuestas al campo magnético del instrumento laparoscópico para investigar su rendimiento de calentamiento. Un instrumento laparoscópico capaz de generar un campo magnético de alta frecuencia, lo suficientemente alto para actuar en células cancerosas, pero lo suficientemente pequeño como para evitar células sanas cercanas, fue diseñado exitosamente. Resultados demuestran que las nanopartículas calientan solamente por inducción magnética, pero se necesitan más mejoras al diseño y experimentación para determinar su eficiencia en el campo médico. No obstante, este diseño es adecuado para tratar tumores profundos durante procedimientos laparoscópicos, que son inalcanzables por otros diseños, y la eliminación de los remanentes de tumores que la cirugía convencional no puede remover.