用于医疗领域的新型复合相变材料制备及其热特性研究

发布时间：2020-07-13 22:14

【摘要】：人是一个温度恒定的生命体,调节温度是治疗疾病的手段之一。例如,热疗是治疗温度过敏性鼻炎病人的有效手段;冷敷是对发烧病人实施物理降温的常用方法;将热疗与化疗相结合是治疗癌症的新途径。相变材料是指在特定温度下发生相态转变同时伴随着大量热量吸收或释放的物质。发生相变时温度恒定且潜热值高这两种特性使相变材料可应用于医疗领域,实现精确并可控的温度调节。本论文致力于将相变材料推广应用于医疗领域,研制适用于温度过敏性鼻炎患者的热疗、发烧儿童的冷敷降温以及癌症病人的热疗-化疗药物控释体系的新型复合相变材料,并对其热特性进行研究,为这些复合相变材料在医疗领域的应用提供依据。在第一项研究工作中,针对温度敏感型过敏性鼻炎,以医用石蜡为相变材料,将其与聚丙烯中空纤维复合,采用物理吸附法,制备石蜡/聚丙烯中空纤维复合相变储能材料;将复合相变材料编织成块状物,测试其储、放热性能,并根据过敏性鼻炎的临床治疗要求和复合相变材料的热物性确定所需复合相变材料的温度和质量;采用数值模拟对中空纤维复合相变材料的放热性能进行系统研究,理论分析石蜡温度、质量分数和表面换热的对流传热系数对其放热性能的影响;最后,设计了复合相变材料基腔道式热疗口罩,并通过数值计算得到口罩的放热性能。研究表明,相变温度为44℃的RT44HC/聚丙烯中空纤维复合相变储能材料相变潜热高达199.7 J·g~(-1),50次冷-热循环后相变焓几乎保持不变,并且生物可降解、热性能稳定;放热性能结果显示,38 g复合相变材料块状物的中心温度在风速为0.05 m·s~(-1),环境温度为20℃时可在相变温度44℃左右保持900 s,说明该复合相变材料具有很好的储热能力;提出了有效能概念(某一确定温度范围内的可使用热量),通过FLUENT软件中的熔化-凝固模型计算得到石蜡/中空纤维块状物的有效能主要由复合相变材料的质量分数决定,石蜡/中空纤维块状物的放热时长由质量分数和热导率共同决定,但质量分数占主导,复合相变材料的显热对放热时长影响很小,该数值模型可以针对目标温度和加热时长不同的热敷产品进行预测设计;腔道式相变材料基热疗口罩的数值计算表明38 g复合相变材料即可满足持续40℃以上加热20 min的治疗要求,为该材料在过敏性鼻炎的临床应用上提供了理论基础和实验依据。在第二项研究工作中,针对小儿发烧,以医用石蜡OP10E为相变材料,将其余氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS弹性体)复合,采用物理吸附和平板硫化热压法制备OP10E/SEBS弹性相变油凝胶;采用实验和数值模拟相结合的方式测试其储、放热性能;设计了中空球型OP10E/SEBS相变油凝胶基降温头套,并根据人体热平衡动态模型和OP10E/SEBS相变油凝胶的热物性,采用数值计算探究儿童身高、体重、发烧温度与所需相变油凝胶质量和降温头套厚度的关系。研究表明,OP10E/SEBS相变油凝胶相变潜热高达133.2 J·g~(-1),50次冷-热循环后相变焓几乎保持不变,并且生物可降解、热性能稳定;在37℃的恒温加热台上,62.4 g厚度为1 cm的OP10E/SEBS相变油凝胶的冷量释放的平台期长达1800 s,说明OP10E/SEBS相变油凝胶具有很好的冷量管理能力;通过数值计算得到了儿童身高、体重和发烧温度与相变油凝胶质量和降温头套厚度的关系的数据库,当三者协同最大时,降温头套的厚度仅为0.8 cm,证明了OP10E/SEBS相变油凝胶基降温头套的可行性,为实际应用提供了理论基础。在第三项研究工作中,针对癌症治疗,以肉豆蔻醇为相变材料,聚乙二醇为表面活性剂,DOX为抗癌药物,三者按一定比例混合后与热溶剂法制备得到的介孔Fe_3O_4纳米粒子通过溶剂蒸发法复合,构建Fe_3O_4@PCM/PEG/DOX药物控释体系;对介孔Fe_3O_4纳米粒子和Fe_3O_4@PCM/PEG/DOX粒子进行成分、结构和性能表征;测试Fe_3O_4@PCM/PEG/DOX药物控释体系在直接加热(25℃、37℃和42℃)、近红外光照射下或处于外部交变磁场时的药物释放性能。研究表明,PCM/PEG/DOX被装载在介孔Fe_3O_4纳米粒子孔隙内;对于直接加热控制释放,Fe_3O_4@PCM/PEG/DOX药物控释体系在25℃和37℃时在4 h内释放率几乎为零,而当温度升高至42℃时,药物在1.5 h内快速释放且释放率高达80%;对于光-热控制释放,DOX可在前2 h内迅速释放至70%,4h内最终释放率达80%;对于磁-热控制释放,在室温下放置8天仍无DOX释放,而一旦处于外部交变磁场后,药物DOX迅速释放,最终释放率达到80%;对无PEG的药物控释系统,42℃下最终药物释放率几乎为零。该温控、光-热控制、磁-热控制三合一的多重药物控释体系在癌症治疗领域具有应用前景。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

鼻炎,冷水

图 1-1 鼻炎红外热疗仪 1-1 Infrared thermal therapy instrument for rhinitis温度低的物理因子（冷水、冰等）刺激皮肤或敷可使毛细血管收缩，减轻局部充血；可使神局部血流量，防止炎症化脓扩散；也可通过热降低体温，因此，主要应用于痉挛性疾病、软疗以及中暑、发烧的物理降温。冷敷的方法有敷袋里装入半袋或三分之一袋碎冰或冷水，然后等患处；另一种冷敷法是把毛巾或敷布在冷水

小儿,水凝胶

家长就急忙给孩子吃退烧药消炎药，而有的孩子体温超过 39℃，为孩子可以靠自身抵抗力自愈[22-24]。因此，对于发烧治疗方法的普及显得尤为情况下，对于由风寒感冒或其他因素引起的低烧症状，世界卫生组织优先推荐降温进行治疗[25] [26, 27]。具体方法为把患儿放置在环境阴凉的空气流通处后用冷水袋敷于额头、双腋等部位。对于物理降温的温度，临床研究表明，10~1效快速且对患者机体不会有所损害的合适温度。但现存的冷敷方法，包括冷巾或者通过水分蒸发的方式吸热的擦拭酒精法，均不能有效控制冷敷的温度和影响患者的恢复，并且传统冷敷法的操作方式也很繁琐。目前市面上现存的物备主要有一次性降温贴[28, 29]，如图 1-2 所示，以及用于开颅手术病人术后降。其中，一次性降温贴主要成分为水凝胶，通过水分的蒸发带走人体多余的冷敷的温度和时长无法精准控制，且不环保，为即用即丢型；而冰帽一般用于的脑部术后降温，低于小儿发烧冷敷的温度范围，冷敷温度过低。因此，有必型可精确控温的冷敷材料用于发烧退热等医疗领域。

示意图,石蜡,中空纤维,复合相

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【参考文献】