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Desde el remoto
atractivo de los
imanes a la
biomedicina actual
Real Academia de Ciencias 2013
A)
Campos electromagnéticos: frecuencia superior a cien
kilociclos o kHz
COMUNICACIONES: radar, radio, televisión, telefonía
móvil, óptica
B)
Campos magnéticos continuos o de muy baja frecuencia,
inferior a 100 ciclos o Hz.
ENERGIA: transporte y almacenaje
- Transporte de energía y comunicaciones
Aplicaciones de
materiales en gran
tonelaje
Energía
- Almacenamiento
- Imanes
Información - Memorias
¿Desde cuando se conocen los fenómenos electromagnéticos?
Es una fuerza fundamental de la naturaleza
Tierra 4600 M.años
Nuestros primeros
ancestros 1 M. año
Neolítico--Primera recopilación:
William Gilbert 1600
Luz de las
estrellas
Relámpagos
Auroras
polares
Imanes
Descargas
electrostática
s
Charles Agustin Coulomb 1736-1806. Balanza de
torsión 1776, su ley en 1785, «nothing tends to the
advancement of knowledge as the application of a new
instrument», Sir Humphry Davy (1778-1829)
Hans Christian Oersted 1777-1851. Observa la
desviación de la brújula producida por la corriente entre
1813 y 1820
André Marie Ampère 1775-1836, en 1820 escribe
su ley, diseña un electroimán y predice la existencia de
corrientes microscópicas de la materia
Michael Faraday 1791-1867. Descubre la ley de la
inducción en 1831, introduce el concepto de línea de
fuerza, descubre el efecto magneto-óptico
James Clerck Maxwell 1831-1879. Sintetiza toda
la fenomenología en cuatro leyes tras introducir el
concepto de corriente de desplazamiento, en 1873.
Hertz 1887
Jean-Baptiste Biot (1774-1862),
Felix Savart (1791-1842),
Carl-Friedrich Gauss (1777-1855) y
Simeon-Dennis Poisson (1781-1840)
Newton y Maxwell
Junto a Carnot, Gibbs y Boltzmann,
cimentan la Física clásica vigente en 1900
«Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes»
La Mecánica Cuántica y la Teoría restringida de la
Relatividad revolucionan en la primera mitad del siglo
XX la Física Clásica.
Pero… la Teoría del Electromagnetismo queda intacta
«Los cálculos de electrodinámica cuántica coinciden
con los resultados experimentales con precisión
inhumana», F. Ynduráin
El descubrimiento de los electrones y de los átomos
permitió comprender que la química y la vida, como un
subconjunto de ella, son manifestaciones de las leyes
del electromagnetismo en un marco cuántico
).
Ley de Coulomb + Confinamiento
Radio de Bohr (15m): la materia está
hueca (la masa 1mm)
Radiación según Maxwell
La energía que transita a través de la
Biosfera es energía electromagnética:
Ultravioleta, visible e infrarrojo.
Y esta energía es la que en diversas
formas se almacena en la Tierra:
Eólicas, fósiles, solares, mareas etc.
El aumento de la utilización de ondas y campos
electromagnéticos en la tecnología actual ha creado un nuevo
problema asociado: la compatibilidad electromagnética.
Posibles efectos sobre la salud y ciertos sobre el funcionamiento
de otros sistemas en general.
Un comité de riesgos, SCENIHR, creado por la Comisión
Europea revisa los estudios científicos publicados sobre los
posibles efectos de los campos de radiofrecuencia sobre
organismos vivos y la salud humana.
En España existe un Comité de Radiaciones Electromagnéticas
creado bajo los auspicios de la Fundación General de la
Complutense, bajo la Presidencia del Prof. E. Muñoz y Secretaria
Profa. P. Crespo
Compatibilidad
electromagnética del sistema
ASFA en el AVE
Prof. J. González y su equípo del IMA
Instituto de Magnetismo
Aplicado
Laboratorio “Salvador
Velayos”
U C M-RENFE-CSIC
¿Qué es el ASFA?
ASFA (Anuncio de Señales y Frenado Automático) es un sistema de
seguridad de los trenes que circulan por las vías férreas españolas
El ASFA está formado por unas balizas situadas en las vías del tren
y que se pueden programar desde los centros de control para que
envíen un mensaje al tren que pasa sobre ellas.
Via férrea
Baliza ASFA
¿Como funciona el ASFA?
Los trenes llevan un emisor que emite de manera continua una señal hacia
la vía (MHz)
Cuando la baliza ASFA recibe esta señal, se activa y envía al tren otra señal
que contiene el mensaje que le han programado desde el centro de control.
El tren dispone de una antena que recibe esta señal e informa al conductor
del mensaje.
Antena
ASFA
El AVE
El AVE, tren de alta velocidad, funciona recibiendo corriente a través de la
catenaria. La corriente pasa al motor y la línea eléctrica se cierra a través
de los carriles que la llevan a tierra.
EL AVE no consume energía durante todo su trayecto. En algunas
zonas el tren se mueve por inercia.
Hay zonas del recorrido del AVE donde el tren se “enciende”
mediante una pieza llamada disyuntor.
Disyuntor
Motor
PROBLEMA DE COMPATIBILIDAD
Cuando el tren se “enciende” se produce un a corriente transitoria hasta que los
circuitos se estabilizan.
Esta corriente transitoria contiene todas las frecuencias, incluidas las de los mensajes
del ASFA.
Al circular la corriente por los carriles, genera un campo magnético a su alrededor.
Este campo era detectado por la antena del tren del sistema ASFA que daba una falsa
alarma.
EL TREN se PARA
H
Antena ASFA
Solucion
El contacto entre el tren y las vias se produce a través de las ruedas
La zona de via entre las ruedas está cortocircuitada (el potencial a ambos
lados es el mismo y por tanto no cirucla corriente)
Se decidió colocar el equipo ASFA del tren entre las dos ruedas, antes
estabá delante de ellas.
PROBLEMA RESUELTO
ASFA
Aplicaciones biomédicas
“Esfinter urinario artificial endoluminal de
accionamiento magnético”
“Sistema de sensor-actuador para músculos
laríngeos paralizados”
“Estado de válvula cardíaca implantada”
“Hipertermia”
Magnetic Sensors, In tech-Open Access Publisher, Ed. Kevin Kuang, 2012
“Esfinter urinario artificial endoluminal de
accionamiento magnético”
Instituto de Magnetismo Aplicado
Laboratorio “Salvador Velayos”
RENFE – CSIC - UCM
Clínica Puerta de Hierro
HOSPITAL UNIVERSITARIO
Esfinter urinario artificial endoluminal de accionamiento magnético”
Principio de funcionamiento
Teflon
a) sin campo magnético
aplicado:
CERRADO
FeSi
NdFeB
Vejiga
Uretra
NdFeB
b) con campo magnético
aplicado:
ABIERTO
NdFeB
Vejiga
Teflon FeSi
MAGNETIC NANOPARTICLES
FOR HYPERTHERMIA APPLICATIONS
Instituto de Magnetismo
Aplicado
Laboratorio “Salvador
Velayos”
UCM–RENFE–CSIC
Guillermo Rivero
Jose Alonso
Patricia de la Presa
Tatiana Rueda
Álvaro Martínez
Patricia Crespo
Javier Valdés
Marta Multigner
Jorge Spottorno
Universidad
Autónoma de
Madrid
Instituto de
Ciencias de
Materiales (CSIC)
Ángeles Villanueva M. Puerto Morales
MOTIVATION
TUMOUR CELLS BEHAVE DIFFERENTLY AGAINST TEMPERATURE
THAN NORMAL ONES
MAGNETIC PARTICLES CAN BE USED AS HEAT
SOURCES
HEATING METHODS: HYSTERESIS LOOSES, INDUCED EDDY CURRENTS
OR NEEL/BROWN RELAXATION PROCESSES
MOTIVATION
NEED TO CONTROL THE TEMPERATURE
TEMPERATURE DEPENDS ON SIZE, CONCENTRATION, EXTERNAL
APPLIED FIELD
LENGTH OF THE TREATMENT
NEW MATERIALS WITH TUNABLE CURIE TEMPERATURE
FIND NANOPARTICLES WITH Tc CLOSE TO 42ºC
BIOCOMPATIBLE, STABLE IN AUQUEUS SOLUTION, HIGHLY
ACCUMULATING
INSIDE TUMOUR CELLS, HIGH THERMAL EFFICIENCY
PREPARATION
CERAMIC METHOD
La0.56(CaSr)0.22MnO3 Perovskite
But sizes 1mm or bigger
Size diminishes to 100 nm
Size selection
Biocompability
MANGANESE NPS ARE NOT BIOCOMPATIBLE
COATING WITH SILICA
THICKNESS 10 nm
Biological assays
Nps were incubated during 3 h
with HeLa cells
HeLa cells “eat” the Nps
(Endocytosis)
Biological Assays
Hela cells with and without Nps inside are sumbitted to external Magnetic field
f= 100 Khz
B= 15mT
Time= 30 min
They are controlled with HeLa cells with Nps inside but no field
Results
Control cells are not affected
HeLa cells with Nps and magnetic external field are not affected inmediately.
After 24 h deep morphological alteratons occur
Sin Nps
Con Nps
Sin H
Sin H
Con Nps
Con H
Tras 24h
Heating
Temperature increase during treatment < 0,5 K
Perovskites concentration cannot heat the cell culture
Perovskites can induce local hot spots that damage the structure and
funcionality of the cell
conclusions
1. Magnetic Manganese oxides nanoparticles have been coated
with silica shell converting them in water stable and biocompatible
particles
2. Application of an alternating magnetic field of 15 mT and 100 KHz
for 30 min produced cellular damages and apoptotic death
DETECCIÓN PRECOZ DEL FALLO DE
UNA VÁLVULA CARDÍACA
Proyecto:
”Sensor magnético para la detección precoz
del fallo de bioprótesis cardiacas”
Materiales magnéticos:
Microhilos magnetoestrictivos base Fe-Co
Financiación: CAM
A Biological Valve
Spanish Society of Cardiovascular
Surgery Registry
Patients portrayed by year
~ 30.000
Valve prostheses implanted ~
9.000
Biological valves implanted ~
3.500
Advantages of Biological Valves
. Similar shape and behaviour than native ones
. Better hemodynamic conditions than mechanical
ones
. No need a life-long treatment with anticoagulants
An Important Question:
Average Durability
~ 12 years
Uncertainty
~ ± 3 years
¿ Time to Replacement ?
Proposed Solution
A Non Invasive Early Detection
of Cardiac Bioprostheses
Failure
Sensor working
1
4
5
7
6
8
3
10
9
2
11
«No part of our subject is more interesting
than that which deals with the effects of
mechanical stress in altering the
susceptibility, the retentiviness, and other
qualities of the three magnetic materials»
J. A. Ewing, 1900
Small amorphous ribbons
joined to the valve cusps
Advantages of microwires
They can be integrated in the cusps without the usage of biological glues.
They don’t diminish the cusps flexibility, nor do they change its mass in
an appreciable way due to its minimum size.
They are coated, during the process of fabrication itself, by a
biocompatible glass, so facilitating its integration.
Despite its reduced size the magnetic signal obtained is comparable to
that obtained with the other models.
Its high shape anisotropy (10mm x 45 microns) together with its high
magnetic susceptibility remarkably reduces the energy expense
needed for the sensor operation.
Magnetic microwire
• Dc = 45 micras
Dc
• Dn = 20 micras
• Mass = 0,9 microg.
• Section = 1,6 x 10-9 m2
Dn
Microwires imbebed in the valve
cusps
1
2
2
4
3