Magnetische Nanopartikel (MNP) finden breite Anwendung in der medizinischen Diagnostik und Therapie, z.B. beim Magnetischen Drug Targeting, bei der Hyperthermie oder als Kontrastmittel beim MRI. Das Magnetische Drug Targeting ist eine viel versprechende neuartige Methode in der Krebstherapie, bei der MNP als Träger von Wirkstoffen eingesetzt werden. Nach Abschaltung eines äußeren Magnetfeldes kann aus der Messung des Relaxationsfeldes auf die MNP-Verteilung im Krebsgebiet und in anderen Organen des Körpers geschlossen werden. Diese Kenntnis ist von entscheidender Bedeutung für die Effektivität und Sicherheit der Therapie.
An der PTB wurde ein Magnetrelaxometer von zylinderförmiger Gestalt entwickelt, das derartige Untersuchungen in Kleintieren bis zum Kaninchen erlaubt (Abb. 1). Zur Messung der radialen Magnetfeldkomponente auf der Zylinderoberfläche kommen hochempfindliche SQUIDs (superconducting quantum interference detectors) zum Einsatz.
Abb. 1: Magnetrelaxometer und Koordinatensystem mit magnetischem Dipol. Die Zylinderachse stellt die x -Achse dar, ρ ist der Zylinderradius; d = ρ − ρ0 ist die Dipoltiefe, und ρ0 , φ0 und x0 = 0 sind die Zylinderkoordinaten des Dipolortes.
Anhand von Modellrechnungen wurde der Einfluss der Magnetisierungsrichtung auf die radiale Magnetfeldkomponente Bρ in Zylinderkoordinaten ρ , φ und x untersucht. Die MNP-Verteilung wurde dabei durch einen magnetischen Dipol approximiert.
Zur Veranschaulichung der auftretenden Feldmuster werden Konturplots des radialen Magnetfeldes verwendet. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Magnetfeldverteilung auf der Zylinderoberfläche mit einem Radius von 6.9 cm bei einer Magnetisierung in x -Richtung, d.h. parallel zur Zylinderachse. In Abb. 2 liegt der Dipol auf der Zylinderachse, während er in Abb. 3 außerhalb der Zylinderachse bei ρ0 = 1.9 cm, φ0 = 3π/4 positioniert ist. Das Dipolmoment beträgt stets 1 nAm2 .
Abb. 2: Konturplot der Radialkomponente eines auf der Zylinderachse positionierten Dipols.
Abb. 3: Konturplot der Radialkomponente des außerhalb der Zylinderachse positionierten Dipols.
Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Feldverteilung für dieselben Dipolparameter bei einer Magnetisierung in z-Richtung, d.h. senkrecht zur Achse des Zylinders.
Abb. 4: Konturplot der Radialkomponente des auf der Zylinderachse positionierten Dipols.
Abb. 5: Konturplot der Radialkomponente des außerhalb der Zylinderachse positionierten Dipols.
Eine Quantifizierung der MNP-Verteilung erfordert die Lösung des inversen Problems, d.h. die Bestimmung von Ort und Moment des Dipols aus dem Magnetfeld. Diese Parameter können unmittelbar aus den speziellen Eigenschaften der Feldmuster wie etwa den Extremwerten und Nulldurchgängen ermittelt werden.
Die Modellierungen zu magnetischen Nanopartikeln erfolgen in Kooperation mit der 
Arbeitsgruppe 8.21.
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