磁性核壳纳米粒子在肝组织热疗中的应用：基于双相滞后模型的软硬磁材料数值研究

本研究针对癌症局部热疗中温度分布精准控制的难题，通过数值模拟比较Zn0.4Co0.6Fe2O4@Zn0.4Mn0.6Fe2O4等核壳磁性纳米粒子在交变磁场下的热效应，发现双相滞后模型（DPL）比Pennes和单相滞后模型（SPL）更准确预测温度分布，最高SLP达3866 W/g，为肿瘤靶向热疗提供优化方案。

　　

癌症作为仅次于心血管疾病的第二大死因，其治疗手段面临重大挑战。传统放化疗在杀伤癌细胞的同时会损伤健康组织，而局部热疗通过精准升温破坏肿瘤细胞展现出独特优势。其中，磁性纳米粒子（MNPs）在交变磁场下产生的热效应（磁热疗，MHT）因其靶向性和微创特性备受关注。然而，现有技术存在两大瓶颈：一是传统铁氧体纳米粒子如MnFe₂O₄的比损耗功率（SLP）较低，二是生物组织热传导模型（如傅里叶模型）无法准确反映微观热延迟现象。

为突破这些限制，研究人员开展了一项创新性数值模拟研究。通过构建核壳结构的软硬磁复合纳米粒子（如Zn_0.4Co_0.6Fe₂O₄@Zn_0.4Mn_0.6Fe₂O₄），并采用非傅里叶传热理论中的双相滞后模型（DPL），系统分析了肝组织中的温度分布规律。研究发表在《Biochemistry and Biophysics Reports》，为精准热疗提供了理论和实践依据。

关键技术包括：1）基于Langevin方程和弛豫理论计算纳米粒子SLP；2）有限体积法（FVM）求解DPL生物传热方程；3）对比分析傅里叶、SPL和DPL模型的温度预测差异；4）采用临床相关参数（如肝组织τ_q=5.66s，τ_t=22s）进行仿真验证。

磁性热疗机制
通过求解布朗弛豫时间（τ_B=3ηV_H/k_BT）和奈尔弛豫时间（τ_N=τ₀e^KV_M/k_BT），发现核壳结构使有效弛豫时间τ_eff优化至最佳加热频率（2πν_effτ_eff=1）。Zn掺杂通过削弱超交换作用，将居里温度控制在安全范围（41-45°C）。

热耗散特性
核壳纳米粒子的SLP显著高于单核结构：MnFe₂O₄@CoFe₂O₄达3034 W/g，而软核硬壳结构Zn_0.4Co_0.6Fe₂O₄@Zn_0.4Mn_0.6Fe₂O₄创下3866 W/g的记录，比单核MnFe₂O₄（411 W/g）提升近9倍。

温度分布规律
DPL模型模拟显示：1）温度呈高斯分布，肿瘤中心最高（45°C），径向递减至边界（40.8°C）；2）相比傅里叶模型，DPL预测的最高温度降低15%，更符合实验数据；3）热积累效应在τ_q>τ_t时更显著。

这项研究开创性地将核壳纳米粒子设计与DPL传热模型相结合，证实Zn_0.4Co_0.6Fe₂O₄@Zn_0.4Mn_0.6Fe₂O₄是最佳热疗介质，其3866 W/g的SLP为现有报道最高值之一。DPL模型对微观热响应的精确描述，使得肿瘤消融范围的可控性提升，为临床实现"最大肿瘤杀伤、最小健康损伤"的目标奠定基础。该成果不仅推进了癌症热疗设备研发，也为其他生物传热问题提供了新的分析框架。