Wykorzystanie nanocząstek magnetycznych do zwiększania efektywności nagrzewania ultradźwiękowo-magnetycznego - Kaczmarek, Katarzyna Anna (My University, 2019)
Poniższą rozprawę doktorską stanowi cykl publikacji naukowych dotyczących badań podstawowych nad wykorzystaniem nanocząstek magnetycznych w nagrzewaniu ultradźwiękowym, magnetycznym i magnetyczno ultradźwiękowym. Badania obejmowały określenie wpływu nanocząstek magnetycznych na akustyczne właściwości (prędkość propagacji, współczynnik tłumienia) wytworzonych fantomów oraz określenie wpływu zastosowanego rodzaju nanomateriału magnetycznego, tj. ciecz magnetyczna i proszek magnetyczny, na efektywność nagrzewania magnetycznego oraz ultradźwiękowego – wywołanego ultradźwiękową falą płaską oraz skupioną. Ważnym elementem przeprowadzanych badań było również określenie jak własności mechaniczne fantomów, tj. ściśliwość, wpływają na efektywność hipertermii magnetycznej. Główny cel badań stanowiło zbadanie termicznego efektu współdziałania ultradźwięków i zmiennego pola magnetycznego. Wszelkie eksperymenty zostały przeprowadzone przy wykorzystaniu fantomów imitujących tkanki ludzkie. Próby łączenia oddziaływania ultradźwiękowego oraz magnetycznego nie zostały dotychczas szczegółowo zbadane czy opisane w literaturze. Wyniki badań, zawarte w cyklu publikacji stanowiących niniejszą rozprawę doktorską, przyczyniają się do poszerzenia wiedzy dotyczącej wpływu nanomateriałów na efektywność terapii hipertermicznych. Rezultaty badań wykazały, iż obecność nanocząstek magnetycznych w fantomach przyczynia się do poprawy efektu termicznego hipertermii ultradźwiękowej jak i hipertermii magnetycznej, a nagrzewanie magnetyczno-ultradźwiękowe, które powstało z połączenia oddziaływań ultradźwiękowego i magnetycznego, jest efektywniejsze od części składowych. Wysoki poziom innowacyjności badań wykazany w tej pracy doktorskiej dotyczy przede wszystkim rezultatów bimodalnego nagrzewania oraz zachęca do dalszych poszukiwań coraz lepszych nanomateriałów, których zastosowanie może doprowadzić, z medycznego punktu widzenia, do poprawy skuteczności oraz komfortu tychże terapii hipertermicznych. Przedstawiana praca i jej wyniki mogą przyczynić się do rozwoju istotnych dla społeczeństwa dziedzin tj. nanomedycyny czy terapii antynowotworowych. Pierwsza część rozprawy doktorskiej przedstawiająca motywację badań i cel dysertacji zawarta jest w rozdziale pierwszym. Rozdziały 1.1–1.4 stanowią wprowadzenie do problematyki omawianej w publikacjach naukowych. Rozdział 1.5 zawiera opis wykorzystanych materiałów badawczych, natomiast rozdział 1.6 zastosowaną metodologię. W rozdziale drugim przedstawione zostały główne rezultaty badań zawarte w publikacjach. Krótkie podsumowanie oraz perspektywy dalszych badań przedstawia rozdział trzeci. Rozdział czwarty zawiera bibliografię, natomiast publikacje naukowe stanowiące główną część osiągnięć naukowych autora znajdują się w rozdziale piątym. Szósty rozdział zawiera oświadczenia współautorów określające ich udział w publikacjach naukowych. Dodatkowe informacje o pozostałych publikacjach, nagrodach, wystąpieniach konferencyjnych, projektach naukowych czy innych naukowych aktywnościach autora zostały przedstawione w załączniku.

This PhD thesis consists of a series of publications presenting and discussing studies on the influence of magnetic nanoparticles on magnetic, ultrasonic, and magneto-ultrasonic heating performed on tissue-mimicking phantoms. The scientific work focused on addressing the following: how the presence of magnetic nanoparticles in tissue-mimicking phantoms affects the acoustical properties (e.g., acoustic velocity, attenuation coefficient) of phantoms; how the type of magnetic doping material used (suspension, powder, nanospheres, and clusters) influences the effectiveness of magnetic and ultrasonic heating; and how the mechanical properties (e.g., compressibility) of tissue-mimicking phantoms influence the thermal effect of magnetic hyperthermia. The influence of magnetic nanoparticles on the temperature increase during focused and non-focused ultrasound heating was studied as well. Finally, the main aim of the study was to experimentally combine magnetic and ultrasound heating to perform novel magneto-ultrasonic heating. The use of magnetic nanoparticles in ultrasound and magnetic heating was found to be beneficial. Their presence in tissue-mimicking phantoms led to improvement of applied thermal therapies. The most promising result was observed during combined irradiation of the focused ultrasound and alternating magnetic field. The observed temperature rise during this bimodal treatment exceeded the thermal effects achieved with single heating components. All of this work is expected to broaden understanding and current knowledge of the influence of nanomaterials on the effectiveness of currently popular thermal therapies. It might also lead to consideration of magneto-ultrasonic heating as a possible innovative thermal therapy. The thesis begins with an introductory section providing the motivation and aim of the work. Background for the topic and problems discussed in the scientific publications are presented in Chapters 1.1¬–1.4, a description of the research materials can be found in Chapter 1.5, and the methodology is presented in Chapter 1.6. Section 2 presents the summary of the main results discussed in the publications. Section 3 presents the final conclusions, and Section 4 contains the bibliography. The scientific publications discussed in the study are included in Section 5. Section 6 includes the statements of the co-authors. In the appendix one can find a list of other scientific papers published during authors’ PhD studies, a list of attended conferences and granted awards, and other scientific activities and projects.
The use of magnetic nanoparticlesto increase the efficiency of magneto-ultrasonic heating
Wydział Fizyki
Keywords: hipertermia; hyperthermia; nanocząstki magnetyczne; magnetic nanoparticles; fala ultradźwiękowa; ultrasounds; zmienne pole magnetyczne; alternating magnetic field