分析生物材料的熱性能

圖 1. 帶 MTPS 的Trident儀器

生物材料的熱性能會(huì)對(duì)其植入及與生物組織結(jié)合方面的材料性能產(chǎn)生重大影響。隨著更復(fù)雜的植入物（包括那些含有電子元件的植入物）的出現(xiàn)，熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率愈發(fā)受到關(guān)注。電子元件的熱管理可能是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)聚合物材料往往更像是熱絕緣體而非導(dǎo)體。這可能會(huì)損壞電子元件，或者更有可能損傷周?chē)M織。

通常，聚合物材料內(nèi)部的熱傳遞是通過(guò)聲子進(jìn)行的，聲子是一種能在聚合物材料的晶體基質(zhì)中傳播的熱波。結(jié)晶度會(huì)影響此類(lèi)材料的熱導(dǎo)率。為了制造出熱導(dǎo)率更高的聚合物材料，聚合物材料的結(jié)晶度和堆積程度必須很高，以便將熱量從電活性元件傳導(dǎo)出去。通常來(lái)說(shuō)，這意味著無(wú)定形程度更高的材料往往是良好的熱絕緣體，而且這些無(wú)定形材料在更多生物衍生材料中也往往含量豐富。提高無(wú)定形材料熱導(dǎo)率的一種方法是制造高度有序的自組裝結(jié)構(gòu)。這些材料可以是凝膠或自組裝涂層材料。凝膠材料有多種植入方式，包括用作植入的細(xì)胞支架或植入的人工組織。用于植入物的涂層材料可以由涂覆金屬電路的聚合物組成。

C-Therm 公司的Trident采用改進(jìn)的瞬態(tài)平面源（MTPS）技術(shù)，能夠?qū)@些較難研究的材料的熱行為提供獨(dú)特見(jiàn)解。利用 MTPS 測(cè)量可以探究凝膠類(lèi)材料，確保這些模擬組織的材料的熱性能與周?chē)踩氕h(huán)境相匹配。MTPS 對(duì)熱導(dǎo)率的測(cè)量可以探究電子元件或涂層材料，這些材料通常具有復(fù)雜的幾何限制，其他技術(shù)很難測(cè)量。

案例亮點(diǎn)一

自修復(fù)水凝膠在腫瘤熱消融中的熱屏蔽性能

這是瞬態(tài)平面熱源（TPS）方法在生物醫(yī)學(xué)/生物材料領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)例子。

原始出版物摘要：熱消融療法廣泛應(yīng)用于腫瘤的手術(shù)治療。臨床上，通常使用生理鹽水作為絕緣體，以保護(hù)鄰近組織免受熱消融引起的局部高溫灼傷。然而，鹽水的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致液體流失，需要頻繁注射且操作復(fù)雜，這很容易引發(fā)二次損傷和血腫等并發(fā)癥。在此，提出使用一種自愈性殼聚糖-聚乙二醇（CP）水凝膠作為保護(hù)介質(zhì)，以挑戰(zhàn)臨床現(xiàn)有制劑。與生理鹽水和非自愈性水凝膠 F127 相比，CP 水凝膠在比格犬模型的甲狀腺結(jié)節(jié)熱消融中表現(xiàn)出卓越的熱屏蔽性能。采用瞬態(tài)平面熱源（TPS）方法測(cè)量熱性能，包括熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和比熱容。隨后深入揭示了自愈性水凝膠的熱屏蔽機(jī)制以及包括可操作性、生物降解性和生物安全性在內(nèi)的臨床優(yōu)勢(shì)。因此，自愈性水凝膠在腫瘤熱消融中能夠?qū)崿F(xiàn)更好的熱管理。[1]

圖 2. CP 水凝膠的隔熱機(jī)理。(a) 不同介質(zhì)（生理鹽水、聚合物溶液、水凝膠）隔熱機(jī)理示意圖。(b) 用于測(cè)量水凝膠熱性能的瞬態(tài)平面熱源（TPS）法示意圖。(c) 2.5% CPH 和 20% F127 的溫度 - 時(shí)間曲線。[1]

[1] Lifei Huang, Shiyuan Yang, Mingyu Bai, Yuxuan Lin, Xue Chen, Guofeng Li, Li-gang Cui, Xing Wang, Thermal shielding performance of self-healing hydrogel in tumor thermal ablation, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Volume 213, 2022, 112382, ISSN 0927-7765, https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2022.112382.

案例亮點(diǎn)二

用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的、具有定制化表面形貌的熱拉伸生物可降解纖維

在本研究中，使用 C-therm 公司的 TCi 熱導(dǎo)率分析儀測(cè)量了聚己內(nèi)酯（PCL）樣品的熱導(dǎo)率。

原始出版物摘要：生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和組織工程對(duì)聚合物纖維支架的需求日益增長(zhǎng)。聚己內(nèi)酯等可生物降解聚合物因其在組織工程和光學(xué)神經(jīng)接口方面的適用性而受到特別關(guān)注。在此，我們報(bào)道了一種可擴(kuò)展且成本低廉的纖維制造技術(shù)，該技術(shù)能夠在單一工藝中拉制 PCL 纖維，無(wú)需使用輔助包層。我們展示了拉制不同幾何形狀和橫截面 PCL 纖維的可能性，包括實(shí)心芯、空心芯和帶槽纖維。通過(guò) MCF - 7 乳腺癌細(xì)胞的成功附著和增殖，不同幾何形狀的實(shí)心芯纖維顯示出對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的支持作用。我們還表明，空心芯纖維在生物流體中浸泡長(zhǎng)達(dá) 21 天后，表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的光傳播損耗，有潛力在光學(xué)神經(jīng)接口中用作波導(dǎo)?？缮锝到?PCL 纖維表面形態(tài)的可定制性及其無(wú)細(xì)胞毒性，使得所提出的方法成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和組織工程有吸引力的平臺(tái)。[2]

圖 3. 聚己內(nèi)酯（PCL）樣品的結(jié)晶度和熱導(dǎo)率與分子量的關(guān)系 [2]

[2] Farajikhah S, Runge AFJ, Boumelhem BB, Rukhlenko ID, Stefani A, Sayyar S, Innis PC, Fraser ST, Fleming S, Large MCJ. Thermally drawn biodegradable fibers with tailored topography for biomedical applications. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2021 May;109(5):733-743. doi: 10.1002/jbm.b.34739. Epub 2020 Oct 18. PMID: 33073509.