JP6810512B2 - 温熱治療用の発熱軟磁性粉体、発熱複合体及び発熱シート、これらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、外部交流磁場の印加によって発熱する温熱治療用の発熱軟磁性粉体、これを用いた発熱複合体及び発熱シートに関し、特に低い周波数の交流磁場においても高い発熱効率を得られる温熱治療用の発熱軟磁性粉体、これを用いた発熱複合体及び発熱シートに関する。

癌などの悪性腫瘍の治療において、悪性腫瘍細胞の近傍を局所的に加温して正常細胞との熱感受性の差異によって悪性腫瘍細胞だけを死滅させる温熱治療法（ハイパーサーミア）が知られている。かかる温熱治療法の局所的な加温方法において、マイクロ波加温、高周波（ＲＦ）誘導加温、超音波加温などの電磁波を用いる方法がある。このような電磁波を用いる方法では、与える電磁波を高周波とすることで局所的に加温ができるが深部まで加温をすることは困難である。一方、低周波とすれば深部までの加温をできるが加温される範囲が広がりすぎてしまう。そこで、生体の深部の特定の領域を確実に加温できるよう、インプラント材を生体内に導入し外部交流磁場を印加してこれを発熱させることが提案されている。かかるインプラント材は交流磁場の印加によるヒステリシス損で発熱するのである。

例えば、特許文献１では、温熱治療用の発熱軟磁性粉体の材料として、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏのうち１種又は２種以上の遷移金属と、Ｐ、Ｃ、Ｓｉ及びＢのうち１種又は２種以上の半金属と、Ｃｒ及び／又はＭｏを含有するアモルファス合金を用いることを開示している。かかるアモルファス合金はＣｒやＭｏの添加によりキュリー点を４２〜９０℃の範囲まで低下させて感温性の合金とすることができ、温熱治療法のうち、インプラント材による温度の自己制御を可能とするソフトヒーティング法に適していることを述べている。ここでは粉末の粒径を６３〜１０００μｍの扁平状粉末として、１００ｋＨｚで２．０ｋＡ／ｍの交流磁場を印加することで昇温可能な温度がキュリー温度の６４℃より２０℃程度低い４１〜４４℃となり、インダクタンスの温度変化に依存するものであることを述べている。

また、特許文献２では、温熱治療用の発熱軟磁性粉体の材料として、（Ｆｅ_１−Ｘ Ｍ_Ｘ）_３Ｃの構造を有するセメンタイト系化合物を開示している。但し、ＭはＯ，Ｈ，Ｎ，Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｖ及びＴｉからなるグループから選んだ１種又は２種以上であり、０＜Ｘ≦０．１である。また、粉体は各元素の粉末を材料としてメカニカルアロイング処理及び熱処理して得られるとしている。このような材料では、キュリー温度をセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）の２１０℃よりも低下させることができ、温熱治療法のインプラント材として好ましいとしている。

更に、特許文献３では、温熱治療用の発熱軟磁性粉体として、感温性の磁性体の表面に金を含む被覆層を有する粉体を開示している。温熱治療において局所的に加温する患部の温度が目標温度に達したことを確認する必要があることを述べた上で、かかる粉体であれば、感温性磁性体がキュリー温度に達する前後での磁束ベクトルの変化を検出して目標温度の達成を確認しこの磁束ベクトルの制御で感温性磁性体の温度も調整できる。また、コア部分にあたる感温性軟磁性体のキュリー温度を低く設定する一方で、被覆層を発熱層として発熱効率を低下させないようにできるとしている。

特開平２−４７２４３号公報 特開２００２−２７５０７４号公報 特開２０１１−２５１０４２号公報

上記したように、温熱治療用の感温軟磁性粉体は、一般に、温熱治療としての目標温度を大きく越えてしまわないよう、キュリー温度を低く設定するとともに、印加する交流磁場においては、例えば、１００ｋＨｚ程度の周波数を用いている。かかる周波数域の交流磁場の印加のためには、比較的大がかりな装置を必要とするだけでなく、生体への影響についても考慮する必要がある。そこで、より低い周波数でも感温軟磁性粉体を適度に加温できれば、装置をより小型にできて、生体への影響も低減することができるであろう。つまり、低い周波数でも加温可能な、より発熱効率の高い軟磁性粉体が求められる。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、数十ｋＨｚ程度の低い周波数の外部交流磁場の印加でも高い発熱効率を与える温熱治療用の発熱軟磁性粉体、これを用いた発熱複合体及び発熱シートの提供にある。

本発明による温熱治療用発熱軟磁性粉体は、外部交流磁場の印加によって発熱する温熱治療用発熱軟磁性粉体であって、単位重量［ｋｇ］あたりの発熱仕事量［Ｗ］を印加磁場の周波数［Ｈｚ］及び磁場の強さ［Ａ／ｍ］の２乗で除した指標（ＩＬＰ）で０．５０×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］以上とすることを特徴とする。

かかる発明によれば、数十ｋＨｚ程度の低い周波数の外部交流磁場を印加しても高い発熱効率を得ることができ、温熱治療に適した目標温度を与え得るのである。

上記した発明において、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金又はＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金のいずれか１つからなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、上記したような比較的低い周波数の外部交流磁場を印加しても高い発熱効率を得ることができる。

上記した発明において、扁平形状を有することを特徴としてもよい。また、前記扁平形状のアスペクト比が２〜５０であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、低い周波数の外部交流磁場内であっても高い発熱効率を得ることができるのである。

さらに、本発明による温熱治療用発熱複合体は、外部交流磁場の印加によって発熱する温熱治療用発熱複合体であって、上記したうちの１つの温熱治療用発熱軟磁性粉体をマトリクス材料に混合し分散させたことを特徴とする。

かかる発明によれば、低い周波数の外部交流磁場を印加しても高い発熱効率を得ることができ、このような温熱治療用発熱複合体を例えば針状体として人体に挿入して与えることで温熱治療を与え得るのである。

また、本発明による温熱治療用発熱シートは、外部交流磁場の印加によって発熱する温熱治療用発熱シートであって、上記したうちの扁平形状を有する温熱治療用発熱軟磁性粉体をシート状のマトリクス材料に混合し配向分散させたことを特徴とする。

かかる発明によれば、低い周波数の外部交流磁場を印加しても高い発熱効率を得ることができ、このような温熱治療用発熱シートを人体の外面に貼付等して与えることで温熱治療を与え得るのである。

ＩＬＰ測定試験の結果を示す図である。 ＩＬＰ測定試験の結果を示す図である。 ＩＬＰ測定試験の結果を示す図である。

本発明による１つの実施例としての発熱軟磁性粉体について詳細に説明する。なお、本実施例における発熱軟磁性粉体は、その材料の成分組成の調整、及び粒径やアスペクト比などの形状によって後述するＩＬＰを０．５０×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］以上とし得るものである。

ここで、ＩＬＰ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｌｏｓｓ Ｐｏｗｅｒ）は、ある磁性体に交流磁場を印加したときのその磁性体の単位重量［ｋｇ］あたりの発熱仕事量［Ｗ］を、交流磁場の周波数［Ｈｚ］及び磁場の強さ［Ａ／ｍ］の２乗で除した指標である。単位重量あたりの発熱仕事量は、ＳＬＰ（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｌｏｓｓ Ｐｏｗｅｒ、単位［Ｗ／ｋｇ］）で表すことができて、発熱温度や交流ヒステリシス曲線から算出される。すなわちＩＬＰは以下の式で算出される。
ＩＬＰ［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］＝ＳＬＰ［Ｗ／ｋｇ］／周波数［Ｈｚ］／（磁場の強さ［Ａ／ｍ］）^２ …（式１）
ＩＬＰは、後述するように、印加した交流磁場に依存せず、発熱軟磁性粉体の材料及び形状に由来する本来の発熱指標となり得る。

一方、ＳＬＰは、例えば、以下の様にして算出できる。

まず、ガラス管内においてエポキシ樹脂中に分散させて固化させた発熱軟磁性粉体による粉体試料の直流磁化測定を行う。詳細には、振動試料磁力計（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ；ＶＳＭ）を用いて、試料の磁化が飽和する範囲で均一磁界を印加した上で試料を振動させてヒステリシス曲線を測定し、これによって飽和磁化を求める。

次に、交流磁化測定を行う。詳細には、２つの同等の小型コイルを逆向きに直列接続した検出コイルの一方のコイルに試料を挿入し、検出コイルを励磁コイル内に挿入して、交流励磁を行って検出コイル両端の開放電圧を測定する。検出コイルは２つのコイルで互いに誘導起電力を打ち消し合うから、１つのコイルに挿入した試料の磁化成分のみを検出できる。例えば、励磁周波数を１０、３０、５０［ｋＨｚ］、磁界強度を２、４、８［ｋＡ／ｍ］として測定し、それぞれヒステリシス曲線を得る。

最後にＳＬＰを算出する。詳細には、交流磁化測定により得られたヒステリシス曲線に、直流磁化測定により得られた飽和磁化を乗じて磁化に換算し、ループ面積を求める。ループ面積と周波数の積がＳＬＰとなる。

ところで、上記した０．５０×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］以上のＩＬＰを得るために、数十ｋＨｚ程度の低い周波数の外部交流磁場の印加においてヒステリシス損の大きい粉体であることが好ましい。このような発熱軟磁性粉体の材料としては、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、又は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金のいずれか１つが好ましい。特に、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金を用いた場合には、耐食性を向上させることができる。さらに、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金は、加工歪みを蓄えやすく、より高い発熱効率を得ることができる。Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金としては、例えば、Ｆｅ−９．５Ｓｉ−５．５Ａｌ合金を好適に用い得る。また、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金としては、例えば、Ｆｅ−１３Ｃｒ−１Ｓｉ合金を好適に用い得る。

また、０．５０×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］以上のＩＬＰを得ることのできる発熱軟磁性粉体の形状としては、扁平形状を有する粉体であることが好ましい。特に、アスペクト比を２〜５０の範囲内とすることが好ましい。アスペクト比が小さいと粉体は球に近づき、ＳＬＰとともにＩＬＰを低下させてしまう。また、アスペクト比を大きくすることでＩＬＰを大きくし得る傾向にあるが、過剰にアスペクト比を大きくしすぎると、粉砕等されやすくなり、粉体として安定した形状を維持することが困難になる。また、発熱軟磁性粉体の粒径としては１〜２０μｍの範囲内とすることが好ましい。

このような発熱軟磁性粉体は、例えばアトマイズ法によって製作できる。すなわち、アトマイズ装置にて所定の成分組成の合金溶湯を流下させつつ水又はガスを吹きつけて合金溶湯を分断して落下させ、急冷凝固させて、合金粉体を得るのである。さらに扁平形状とする場合には、かかる合金粉体を有機溶媒や、粉砕助剤などとともにアトライター装置に投入して所定の平均粒径を得られるまで扁平化加工処理を行う。

上記した発熱軟磁性粉体を用いて、発熱複合体を得ることもできる。発熱複合体は、樹脂等の結合材中に発熱軟磁性粉体を不規則に又は特定の方向に配向させて分散させたものである。これによって、例えば針状体を製作し、人体に挿入して温熱治療を行い得る。また、シート状の樹脂中に扁平形状の発熱軟磁性粉体をその主面をシート面に略平行とするように配向分散させて発熱シートを得て、例えばこれを人体の外面に貼付等して温熱治療を行うこともできる。なお、発熱軟磁性粉体の材料として、上記した材料の複数種類を混合してもよい。

［ＩＬＰ測定試験］
次に、上記したような発熱軟磁性粉体を製作して、ＩＬＰを測定した試験結果について、図１乃至３を用いて説明する。

粉体試料は上記したように発熱軟磁性粉体をガラス管内においてエポキシ樹脂中に分散させて固化させて作成した。粉体試料では発熱軟磁性粉体を不規則な向きで分散させている。また、後述する実施例７のシート体試料については、シート状の樹脂にその主面と発熱軟磁性粉体の主面とを略平行にするように発熱軟磁性粉体を配向分散させている。なお、シート体の樹脂として塩素化ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂やその他のゴム系樹脂などを用い得る。また、各実施例において、発熱軟磁性粉体は厚さを０．２５〜０．２８μｍとほぼ一定にして製作した。

比較例及び実施例１〜６の粉体試料、さらに実施例７のシート体試料についてＩＬＰを測定し、図１〜３にその結果を示した。ＩＬＰについては、上記した通り、直流磁化測定、交流磁化測定により求められるＳＬＰにより式１を用いて算出した。なお、直流磁化測定により得られる飽和磁化については、実施例１において１７１．８［ｅｍｕ／ｇ］、実施例２において１７４．５［ｅｍｕ／ｇ］、実施例３及び４において１７８．１［ｅｍｕ／ｇ］、実施例５において９１［ｅｍｕ／ｇ］、実施例６及び７において１５２［ｅｍｕ／ｇ］であった。

図１に示すように、比較例としてのＦｅ_３Ｏ_４からなる球状粉体、及び、実施例としての純鉄（純Ｆｅ）からなる扁平状粉体のＩＬＰを算出した。なお、比較例においては印加磁場が実施例と異なるが、上記したようにＩＬＰによって印加磁場に依存せずに比較できるのである。ＩＬＰが印加磁場に依存しないことについては、後述するように実施例３及び４の比較からも示される。

比較例ではＩＬＰを０．２９×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］としたのに対し、実施例１〜３ではいずれも０．５０×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］以上を得ることができている。すなわち、実施例１〜３の純鉄からなり扁平形状を有する発熱軟磁性粉体は比較例のＦｅ_３Ｏ_４からなる球状粉体に対して高い発熱効率を有する。また、アスペクト比がそれぞれ１７及び２３の実施例１及び２ではＩＬＰはほぼ同等であるが、アスペクト比を３４とした実施例３においてはその７倍程度大きい。アスペクト比を大きくすることでＩＬＰを大きくする傾向にあり、また、アスペクト比３０前後でＩＬＰを急激に変化させる特異点が予想される。これは、発熱軟磁性粉体の加工条件や酸化のしやすさ、粉体の体積に関係するものと推定される。

図２に示すように、発熱軟磁性粉体にほぼ同等の形状を与えた場合の材料の違いによるＩＬＰへの影響を調べた。純鉄、Ｆｅ−９．５Ｓｉ−５．５Ａｌ合金、Ｆｅ−１３Ｃｒ−１Ｓｉ合金のうち、実施例６のＦｅ−１３Ｃｒ−１Ｓｉ合金においてＩＬＰが最も高かった。なお、実施例３及び４では、純鉄による同じ粉体試料を用い、印加磁場を大きく異ならせているが、ＩＬＰに大きな差はない。このことは、ＩＬＰが印加した交流磁場に依存しない発熱軟磁性粉体の発熱指標であることを示している。また、印加磁場を周波数３０［ｋＨｚ］、磁場の強さを８［ｋＡ／ｍ］としたとき、比較例のＳＬＰが５５２［Ｗ／ｋｇ］（図１参照）であるのに対し、実施例５のＳＬＰが８，１１２［Ｗ／ｋｇ］と大きいことも判る。このように、周波数３０［ｋＨｚ］、磁場の強さを８［ｋＡ／ｍ］の印加磁場において、ＳＬＰは８，０００［Ｗ／ｋｇ］以上であることが好ましい。

図３に示すように、発熱軟磁性粉体を不規則にランダムな方向を向くように分散させた粉体試料と、同じ軟磁性粉体をシート状の樹脂にその主面をシートの主面に平行にするように配向分散させたシート体試料とを比較した。その結果、不規則な向きに分散させた粉体試料の実施例６に比べ、配向分散させたシート体試料の実施例７においてＩＬＰが２倍以上高くなった。

なお、上記したいずれの粉体試料及びシート体試料でも、周波数５０［ｋＨｚ］、磁場の強さを４［ｋＡ／ｍ］の外部交流磁場を印加して、室温から約２５℃の温度上昇を得られることを確認した。

以上のように、実施例では、ＩＬＰを０．５０×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］以上と高くでき、数十ｋＨｚ程度の低い周波数の外部交流磁場を印加しても高い発熱効率を得ることができるのである。

なお、上記した発熱軟磁性粉体は、温熱治療の用途に限らず、例えば、細胞培養プレートの加温など、ヒーターを導入する空間の確保の難しい環境や、電気や火気の使用を制限限される環境におけるワイヤレスの加温装置に用いることもできる。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるであろう。

Claims (10)

1. 数十ｋＨｚ程度の低い周波数の外部交流磁場の印加によって発熱する１〜２０μｍの粒径の温熱治療用発熱軟磁性粉体の製造方法であって、
   純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金又はＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金のいずれか１つの合金からなり、単位重量［ｋｇ］あたりの発熱仕事量［Ｗ］を印加磁場の周波数［Ｈｚ］及び磁場の強さ［Ａ／ｍ］の２乗で除した指標（ＩＬＰ）が前記印加磁場に依存しないように、前記合金の成分組成を調整し急冷凝固させた粉体を扁平形状に加工する各製造条件の選択にあたって、前記周波数と前記強さとの組み合わせを（５００ｋＨｚ，４ｋＡ／ｍ）及び（３０ｋＨｚ，８ｋＡ／ｍ）としたときに、ともに０．５０×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］以上となるように前記選択をすることを特徴とする温熱治療用発熱軟磁性粉体の製造方法。
2. 前記合金は、純鉄、Ｆｅ−９．５Ｓｉ−５．５Ａｌ合金又はＦｅ−１Ｓｉ−１３Ｃｒ合金のいずれか１つからなることを特徴とする請求項１記載の温熱治療用発熱軟磁性粉体の製造方法。
3. 前記扁平形状のアスペクト比が２〜５０であることを特徴とする請求項２に記載の温熱治療用発熱軟磁性粉体の製造方法。
4. 外部交流磁場の印加によって発熱する温熱治療用発熱複合体の製造方法であって、請求項１乃至３のうちの１つに記載の方法で得た温熱治療用発熱軟磁性粉体をマトリクス材料に混合し分散させたことを特徴とする温熱治療用発熱複合体の製造方法。
5. 外部交流磁場の印加によって発熱する温熱治療用発熱シートの製造方法であって、請求項１乃至３のうちの１つに記載の方法で得た温熱治療用発熱軟磁性粉体をシート状のマトリクス材料に混合し配向分散させたことを特徴とする温熱治療用発熱シートの製造方法。
6. 数十ｋＨｚ程度の低い周波数の外部交流磁場の印加によって発熱する１〜２０μｍの粒径の温熱治療用発熱軟磁性粉体であって、
   純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金又はＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金のいずれか１つの合金からなり、
   単位重量［ｋｇ］あたりの発熱仕事量［Ｗ］を印加磁場の周波数［Ｈｚ］及び磁場の強さ［Ａ／ｍ］の２乗で除した指標（ＩＬＰ）が前記周波数と前記強さとの組み合わせを（５００ｋＨｚ，４ｋＡ／ｍ）及び（３０ｋＨｚ，８ｋＡ／ｍ）としたときに、ともに３．７８×１０^−９［Ｈ・ｍ^２／ｋｇ］以上であることを特徴とする温熱治療用発熱軟磁性粉体。
7. 前記合金は、純鉄、Ｆｅ−９．５Ｓｉ−５．５Ａｌ合金又はＦｅ−１Ｓｉ−１３Ｃｒ合金のいずれか１つからなることを特徴とする請求項６記載の温熱治療用発熱軟磁性粉体。
8. 扁平形状でありアスペクト比が２〜５０であることを特徴とする請求項７記載の温熱治療用発熱軟磁性粉体。
9. 外部交流磁場の印加によって発熱する温熱治療用発熱複合体であって、請求項６乃至８のうちの１つに記載の温熱治療用発熱軟磁性粉体をマトリクス材料に混合し分散させたことを特徴とする温熱治療用発熱複合体。
10. 外部交流磁場の印加によって発熱する温熱治療用発熱シートであって、請求項７又は８に記載の温熱治療用発熱軟磁性粉体をシート状のマトリクス材料に混合し配向分散させたことを特徴とする温熱治療用発熱シート。

Images