High-Temperature Superconducting Bulks for Enhancing the Remote Forces in Magnetic Drug Delivery

Malgré le fait que le cancer est l’une des maladies les plus mortelles dans le monde contemporain, les traitements actuels sont généralement inefficaces. Puisque les cellules cancéreuses sont très similaires aux cellules saines, il est difficile de cibler un médicament directement vers une tumeur cancéreuse. Les traitements les plus couramment utilisés se servent de doses de radiation (radiothérapie) ou de molécules toxiques (chimiothérapie) nocives pour attaquer les cellules cancéreuses. Cependant, dans le cas de la chimiothérapie, plus de 95% des agents cytotoxiques s’attaquent aux cellules saines puisqu’ils sont injectés systémiquement dans le corps. Récemment, une approche a été proposée pour améliorer les traitements de chimiothérapie en naviguant les agents chimiothérapeutiques vers une tumeur cancéreuse avec l’aide de champs magnétiques. L’utilisation de champs magnétiques est intéressante parce que ceux-ci peuvent facilement pénétrer le corps humain, ce qui fait en sorte que la navigation peut se faire sans contact physique. Toutefois, la physiologie complexe du corps humain requiert des forces à distance capables de changer de direction rapidement d’une bifurcation à l’autre du réseau vasculaire. De plus, comme les particules magnétiques (MMS) doivent être suffisamment petites pour passer dans les vaisseaux sanguins de quelques microns de diamètre, le patient doit être plongé dans un champ magnétique et des gradients de champ assez puissants pour générer des forces adéquates. Les technologies de navigation de médicaments magnétiques (MDD) actuelles utilisent des électroaimants, des matériaux ferromagnétiques ou une combinaison des deux, mais ceux-ci ne génèrent pas suffisamment de force ou de changements directionnels des forces pour pouvoir faire des traitements dans les tissus profonds d’un patient. Dans les dernières années, le développement de nouvelles méthodes de croissance et d’aimantation des pastilles supraconductrices (HTSs) a permis d’obtenir des aimantations dix fois plus élevées que les aimants permanents les plus puissants. Il est donc invitant d’utiliser les matériaux supraconducteurs pour produire un maximum de force dans le MDD. Par conséquent, l’objectif principal de cette thèse est d’évaluer le potentiel des pastilles HTSs pour générer des amplitudes et des changements de direction des forces magnétiques suffisantes pour naviguer des MMSs dans le réseau vasculaire du corps humain. Plusieurs méthodes pour produire des forces magnétiques sont possibles avec les HTSs. Cependant, l’évaluation de ces différentes méthodes expérimentalement est très coûteux et demande beaucoup de temps. Il est ainsi primordial d’utiliser des simulations pour estimer les forces magnétiques possibles avec les différentes approches. Cependant, les propriétés électromagnétiques des HTSs sont fortement non linéaires, ce qui entraîne des temps de simulations de plusieurs jours pour des géométries simples en 3-D. Le premier sous-objectif de la thèse est alors de réduire les temps de calcul des champs magnétiques produits par une pastille HTS pour permettre d’évaluer les différentes méthodes de MDD.

Abstract

Despite cancer being one of the deadliest illnesses in the modern era, current treatments are either lacking or inefficient in many cases. Cancerous cells are very similar to healthy cells and are therefore difficult to target chemically. The most commonly used treatments consist of using harmful doses of radiation (radiation therapy) and/or chemicals (chemotherapy) to attack the cancerous cells. However, as is the case in chemotherapy, the cytotoxic drugs affect more than 95% of healthy cells due to their systemic injection through the vascular network. A recent approach to solve this issue proposes to navigate the chemotherapeutic drugs to the cancerous tumor by using appropriate magnetic fields. The use of magnetic fields is a promising avenue since they can easily penetrate the human body and do not require physical contact with the chemotherapeutic drugs. However, the complex physiology of the human vascular network requires forces capable of rapidly changing directions for a successful navigation. In addition, since the magnetic microspheres (MMSs) used for the navigation must be small to be able to pass through narrow blood vessels, the patient must be inserted in a magnetic field and field gradient strong enough to generate adequate forces. Currently proposed technologies using electromagnets, ferromagnets or a combination of both either lack in force strength or directional changes, such that the navigation of MMSs has yet to be achieved in human patients. In recent years, the development of new growth and magnetization techniques of bulk high-temperature superconductors (HTSs) has produced a nearly tenfold increase in trapped field values in comparison to the strongest permanent magnets. This drastic enhancement in the magnetization hints at using HTS bulks for generating strong magnetic forces in magnet drug delivery (MDD). Therefore, the main objective of this research is to evaluate the potential of HTS bulks for achieving adequate force strength and directional changes at deep tissue distances for navigating MMSs in the human vascular network. Due to the open-ended nature of the research problem, several approaches for generating remote forces with HTS bulks needed to be evaluated. However, developing new experimental setups with superconducting components is very complex, costly, and time-consuming. A simpler route consists of simulating the magnetic forces produced by HTS bulks numerically. Even so, the highly nonlinear electromagnetic properties of HTSs result in computation times of several days even for the simplest models in 3-D. The first sub-objective of the thesis was therefore to speed up the magnetic field computation of HTS materials.