Study on magnetization dynamics of magnetic beads for advanced bioengineering

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23K17750
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 吉田 敬 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (30380588)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2025-03-31
• Keywords: 磁性ビーズ / マルチコア / 磁化ダイナミクス

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、「ナノ～マイクロメートルサイズのマルチコア磁性ビーズの磁化ダイナミクス現象の解明」を第一の研究目的とする。次に、この結果を基にした「バイオエンジニアリング応用磁性ビーズの設計指針の確立」を第二の研究目的としている。
本年度は、「ナノ～マイクロメートルサイズのマルチコア磁性ビーズの磁化ダイナミクス現象の解明」に向け、マイクロマグネティクス解析および観察実験および磁化ダイナミクス計測実験を実施した。詳細な内容は以下に示す。
【解析】磁気双極子相互作用を考慮したマイクロマグネティクスのプログラムコードを開発し、マルチコア磁性ビーズの磁化ダイナミクス解析を行った。得られた結果を磁気双極子相互作用磁界に着目して分析することで、マルチコア磁性ビーズの励起磁界強度・励起周波数に対する磁化ダイナミクスを明らかにした。これらの解析は、学内共同教育研究センターのスパーコンピュータを利用して効率よく実行した。
【実験】学内共同教育研究センターのTEMを使用して、実験で使用する磁性ビーズ（シングルコア磁性ビーズ、マルチコア磁性ビーズ）の観察を行い、物理的な一次粒径サイズ、二次粒径サイズの確認を行った。また、シングルコア磁性ビーズとマルチコア磁性ビーズの磁化ダイナミクスの計測実験を行った。実験結果と解析結果の比較を今後行う予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通り、マルチコア磁性ビーズの解析および磁化ダイナミクスの計測実験が実施できている。

Strategy for Future Research Activity

マイクロマグネティクス解析を継続して実施すると同時に、磁化ダイナミクス計測実験結果との比較を行い、磁性ビーズの物理パラメータの同定を行う。次に、マルチコア磁性ビーズの磁化ダイナミクスのモデル化を行い、「マルチコア磁性ビーズの磁化ダイナミクス現象の解明」を行う。
次に、この結果を基にした「バイオエンジニアリング応用磁性ビーズの設計指針の確立」を行う。具体的には、等価的な磁気の大きさと応答性を、マルチコア磁性ビーズを構成する磁性ナノ粒子のコア径、コア間の距離およびマルチコア磁性ビーズの流体力学径をパラメータとして定量化する。これにより、それぞれのバイオ応用に最適なマルチコア磁性ビーズの設計指針を確立する。

Causes of Carryover

磁化ダイナミクス計測実験を実施したが、既存の測定装置を用いて実施した。当初、新規な測定装置を開発予定であったが、基礎的な実験データを得ることができたこと、また、解析に重点を置いて研究を実施したため、次年度使用額が生じた。本年度は、より高感度な測定装置を開発する予定である。

Research Products

• [Journal Article] AC susceptibility measurement of magnetic nanoparticles using an optically pumped magnetometer and a flux transformer (2024)
  • Author(s): Teruyoshi Sasayama, Shuji Taue, Takashi Yoshida
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 14 Pages: 15029
  • DOI: 10.1063/9.0000634
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of magnetic particle imaging modules using high-Tc superconducting coils (2024)
  • Author(s): Takashi Yoshida, Yuta Kamei, Tatsuya Nagano, Akinobu Ide, Teruyoshi Sasayama, Yasushi Takemura
  • Journal Title: International Journal on Magnetic Particle Imaging Volume: 10 Pages: 2403038
  • DOI: 10.18416/IJMPI.2024.2403038
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of high-efficiency superparamagnetic drug delivery system with MPI imaging capability (2024)
  • Author(s): Shi Bai, Xiao-Dan Zhang, Yu-Qi Zou, Yu-Xi Lin, Zhi-Yao Liu, Ke-Wen Li, Ping Huang, Takashi Yoshida, Yi-Li Liu, Ming-Shan Li, Wei Zhang, Xiao-JuWang
  • Journal Title: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Volume: 12 Pages: 1382085
  • DOI: 10.3389/fbioe.2024.1382085
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Field-dependent Nテゥel relaxation time of magnetic nanoparticles in AC excitation fields: Boundary field between Nテゥel- and Brownian-dominant regions (2024)
  • Author(s): Takashi Yoshida, Keiji Enpuku
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 135 Pages: 93901
  • DOI: 10.1063/5.0192306
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Harmonic signals of magnetic nanoparticle in suspension for biosensing application: Comparison of properties (2023)
  • Author(s): Keiji Enpuku, Yi Sun, Haochen Zhang, Takashi Yoshida
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume: 579 Pages: 170878
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2023.170878
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous estimation of magnetic moment and Brownian relaxation time distributions of magnetic (2023)
  • Author(s): Yi Sun, Zhongzhou Du, Haochen Zhang, Teruyoshi Sasayama, Takashi Yoshida
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 15 Pages: 16089 - 16102
  • DOI: 10.1039/d3nr02860g
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-Resolution Enlarged Open-Bore Narrowband Magnetic Particle Imaging Based on Double-Layer Linear Scanning Structure (2023)
  • Author(s): Shi Bai, Tianshu Li, Kewen Li, Takashi Yoshida, Yumei Gu
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 59 Pages: 5100905
  • DOI: 10.1109/TMAG.2023.3285847
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Imaging of Magnetic Nanoparticles Using AC Susceptibility Data (2023)
  • Author(s): Naoya Futagawa, Misaki Fujimoto, Kohta Higashino, Teruyoshi Sasayama, Takashi Yoshida
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 59 Pages: 5101205
  • DOI: 10.1109/TMAG.2023.3293542
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高調波磁化を用いた磁性ナノ粒子の状態識別法の開発 (2024)
  • Author(s): 藤堂瑞貴, 松崎勇海, 吉田敬
  • Organizer: 令和6年電気学会全国大会
• [Presentation] 三次元MPIスキャナーの設計と性能検証 (2024)
  • Author(s): 王浩哲, 孫毅, 張昊晨, 吉田敬
  • Organizer: 令和6年電気学会全国大会
• [Presentation] Development of magnetic particle imaging modules using high-Tc superconducting coils (2024)
  • Author(s): T. Yoshida, Y. Kamei, T. Nagano, A. Ide, T. Sasayama, Y. Takemura
  • Organizer: International Workshop on Magnetic Particle Imaging, 13th IWMPI
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dipolar Interaction Effect on Harmonics in Liner Chain Magnetic Nanoparticles (2023)
  • Author(s): H. Zhang, Y. Sun, S. Yamamura, T. Sasayama, T. Yoshida
  • Organizer: INTERMAG2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高調波磁化を用いた磁性ナノ粒子の定量的状態識別法の開発 (2023)
  • Author(s): 藤堂瑞貴, 山村柊哉, 吉田敬
  • Organizer: 2023年度(第76回)電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [Presentation] 超伝導傾斜磁界コイルを用いた磁気粒子イメージング装置の開発 (2023)
  • Author(s): 亀井裕太, 長野竜也, 佐々滉太, 笹山瑛由, 竹村泰司, 吉田敬
  • Organizer: 第47回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] Quantitative Estimation of Solid and Liquid Phase Magnetic Nanoparticles for Magnetic Bio-sensinga (2023)
  • Author(s): Takashi Yoshida
  • Organizer: 2023 Joint Workshop IWMBS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Characterizing Magnetic Moment and Brownian Relaxation Time Distributions of Magnetic Nanoparticles Based on AC Harmonics (2023)
  • Author(s): Yi Sun, Haochen Zhang, Haozhe Wang, Takashi Yoshida
  • Organizer: 2023 Joint Workshop IWMBS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Design of Magnetic Particle Imaging Scanner (2023)
  • Author(s): Haozhe Wang, Yi Sun, Haochen Zhang, Takashi Yoshida
  • Organizer: 2023 Joint Workshop IWMBS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical study on magnetization characteristics of curved chain magnetic nanoparticles (2023)
  • Author(s): Haochen Zhang, Yi Sun, Haozhe Wang, Teruyoshi Sasayama, Takashi Yoshida
  • Organizer: 2023 Joint Workshop IWMBS
  • Int'l Joint Research