עיצוב חומרים Composite עם מותאם אישית מוליכות תרמית למכשירים רפואיים

התפקיד הקריטי של ניהול התרמומלי בעיצוב רפואי

מכשירים רפואיים הופכים להיות מתוחכמת יותר, שילוב אלקטרוניקה, חיישנים, פונקציות טיפוליות פעיל המייצר חום.מניתוחים מושתלים של חומרים קריטיים אינטנסיביים ממוקדים טרנסדוקטריטורים, ניהול אנרגיה תרמית הוא כבר לא שיקול משני, אבל מתקן עיצוב ראשוני יכול לגרום חומרים גמישים, עיצוב חומרים גמישים, אופטימיזציה של תפקודים, ביצועים ספציפיים, וקיצור חיי המוצר.

יסודות של התנהגות תרמית ב- Biomedical Contexts

מוליכות תרמית (k) מדמה את היכולת של החומר לנהל חום, נמדדת באטים למטר-kelvin (W/mK) במכשירים רפואיים, המשטר התרמי הרלוונטי כרוך לעתים קרובות נמוך עד לשטף חום מתון (כמה מ"ט"ל עד עשרות וואט) וטווחי טמפרטורה חמים (בדרך כלל 30–45 מעלות בטיחות) לגוף האנושי יש בערך 0.2/2 ליטר חום גבוה יותר, בעוד שצריכים מ-2K2 ליטר חום).

מוליכות תרמית במתחרים תלויה לא רק בהתנהגויות של השלבים האישיים, אלא גם ביקורתיות על ממשק שלהם עמידות תרמית (Kapitza Resistance), צורה ממלאת, גודל, אוריינטציה ושבריר נפח. לדוגמה, הוספת ממלאים מוליכים גבוהים כמו סיבים פחמן (k - 1000 W/mK לאורך ציר) למטריקס פולימר (k 0.2/mK) יכול להגדיל באופן דרמטי את התכונות של חומרני, אך ורק אם הם מסוגלים למלא את התכונות הגבוהות.

אחריות על אחריות רגולטורית

מדידה מדויקת של מוליכות תרמית היא קריטית עבור אימות עיצוב והגשה רגולטורית. תקנים כגון ASTM D5470 (עבור חומרים ממשק תרמי) ו- ISO 8301 (שיטת הצלחת חמה נשמרת) משמשים בדרך כלל. עבור סרטים דקים ודגימות קטנות, מקור המטוסים הטרנסנדנטלי (TPS) או ניתוח פלאש לייזר (LFA) הם מועדפים על יצרנים רפואיים להבטיח כי החומרים שלהם לעמוד בדרישות התרמיות של 5(N) או שיטות טיפוליות של תכונות סטנדרטיות (MA) או ניתוח אופטימיזציה של תכונות של תכונות).

אסטרטגיות עיצוב עבור התאמת Thermal Conductivity

יצירת חומרים מורכבים עם מוליכות תרמית הרצויה דורש גישה שיטתית המשלבת מדעי החומר, עיבוד, דרישות יישום.התת הבאה מתארת את השיקולים המרכזיים.

בחירת החומרים של מטריקס

הממטריקס משמש שלב מתמשך המחזיק את הממלאים ויוצר את הצורה הגדולה של חומרי ממטריקס מורכבים. Common עבור מכשירים רפואיים כוללים:

(FLT:0) פולימרים: (FLT:1 פולידי מתילסקסאן (PDMS), פולימיידיד, epoxy, ותרמופלסטs כמו PEEK (polye Theretherketone) מציעים גמישות, קלות עיבוד, וגמישות ביולוגית מעולה.
(FLT:0Ceramics: FLT:1 אלומיניום nitride (אלN), סיליקון carbide (SiC), ו- alumina (Al2O3) יכול לשמש מזחלות עבור עתירה גבוהה או מוליכים גבוה, אבל הם בשפע וקשה יותר לעבד.
(FLT:0)Metals:FLT:1 Copper, אלומיניום, ו ⁇ ם משמשים כאשר יש צורך בהתנהלות גבוהה מאוד, אבל הם כופים משקל, קורוזיה, ואתגרי ביו-תחרות.

עבור מכשירים מושתלים, הממטריקס חייב להיות לא רעיל, לא-חוסנוגני, ועמיד בפני הסביבה האקורוזבית של הגוף.לדוגמה, PEEK משמש באופן נרחב להשתלת ספין-אל מכיוון שהוא רדיואקטיבי, חזק, וניתן לאותיר, אבל מוליכות תרמית נמוכה שלו (0.25 W/mK) יכולה להיות בעייתית להפחתה של סיבים המכילים פחמן או חלקיקים יכולים להגדיל את הקרמיקה שלה.

סוגי מילוי וביצועים הירוממים שלהם

מילויים הם השלב הפעיל שמשנה את מוליכות התרמית של המסובייק.הבחירה תלויה בערך ה-K המטרה, התאמת עיבוד ועלויות.

(FLT:0) ממלאי רכב: FLT:1 סיבים פחמן, צינורות פחמן (CNTs), גרפן ננופלים, ופחמן שחור. CNTs וגרף יכול להשיג מאוד מוליכים גבוהים מאוד (עד 3,000-5000 W/mK עבור CNTs בודדים), אך חומרים מורכבים עם טעינה סבירה (5% לעתים קרובות להגיע רק 1- 10 מגנטיים למוליך הם בעיות בין-fic.
(FLT:0) ממלאי מטל: FLT:1 Copper, כסף, אלומיניום, חלקיקים ניקל או פליקציות.הם יכולים להגדיל את ההתנהלות ל 10-100 W / mK בעומסים גבוהים (40–60%), אבל העלייה והפוטנציאל של קורוזיה גליונית גליונית בנוזלים ביולוגיים חייב להיות מנוהל.
(FLT:0Ceramic Fillers: FLT:1 Boron nitride (BN), אלומיניום nitride (AlN), סיליקון nitride (Si3N4), ו alumina. Boron nitride הוא סטנדט מכיוון שיש לו מוליכות תרמית גבוהה (עד 400 W / mK בתוך המטוס) בעוד להיות חשמלית - רווחי עבור דיור חשמלי, כמו גם עבור אלקטרו-N נדרש גם הוא קנה מידה גבוהה.
(FLT:0) מילויי פחמן: FLT:1 משלב שני סוגים או יותר מלא (למשל, סיבים פחמן בתוספת חלקיקים אלומיניום) יכול לפעמים ליצור אפקטים סינרגטיים על ידי יצירת רשתות זיהום יעיל יותר או פערים מתפתלים בין ממלאים גדולים יותר.

מחקר של האגודה האמריקנית לכימיה הראה כי מבנים היררכיים - כגון CNTs שגדלו על פני השטח של חלקיקים קרמיקה גדולים יותר - יכול להפחית באופן משמעותי את ההתנגדות בין-גזעית ולשפר את מוליכות תרמית בהטענות ממלאות נמוכות יותר, שמירה על הגמישות המכנית של המריצה.

הנדסת סודיות והתנגדות רכה

הממשק בין הממטריקס למילוי הוא לעתים קרובות צוואר הבקבוק להעברת חום.התנגדות הגבול הצחיק (TBR) עולה מתפזרות פוניון עקב אי התאמה באימפולסים אקוסטיים ובקשר כימי לא מושלם.אסטרטגיות להפחית את TBR כוללים:

(ב) [15] ,0 ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0) ממשקים: FLT:1Buildingשכבות ביניים (כמו ציפוי מתכת דק על מילויים קרמיקה) כדי בהדרגה להחליף תכונות אקוסטיות.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מחקר שנערך בשנת 2022 ב-FLT:0 (מתקדמים חומרים פונקציונליים של ep1) הראה כי על ידי ציפוי BN nanoparticles עם שכבת 5 nm של פולי(dopamine), מוליכות תרמית של epoxy המורכבת על ידי 80% בהשוואה BN ללא טיפול, בעיקר בשל הפחתת TBR. טכניקות אלה חיוניים להשגת ביצועים גבוהים ללא עומס יתר, אשר יכול לפגוע תכונות מכניות.

מלא מורפולוגיה ואלמנט

הצורה והכיוון של מילויים משפיעים באופן דרמטי על מוליכות. ⁇ -aspect-ratio מלא (fibers, הצלחות, ננו-tubes) יכולים ליצור נתיבים לאבחון בשבריריות בנפח נמוך יותר מאשר חלקיקים מפוצצים כי הם נוטים יותר ליצור קשר אחד אחר.ברבים מורכבים, מוליכות היא anisotropic: סיבים מתואמים את החום הרבה יותר ביעילות לאורך אורך שלהם מאשר לטווח ארוך כדי למנוע כיוון רפואי כזה - כי הוא חייב להיות מסגסוגת כמו טמפרטורות כגון מחום.

טכניקות להתאמה של מילויים כוללות:

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0 Magnetic field יישור: FLT:1 Fillers המצופה nanoparticles מגנטי (או באמצעות ממלאים מגנטיים אינטריאליים כמו ניקל) יכול להיות מוכוון על ידי שדה מגנטי חיצוני לפני המטריקס מרפא.
(ב) ⁇ שדה אלקטיבי: 1FLT:1 Dielectrophoresis יכול להתאים את הממלאים הקליקים כמו CNTs.
(FLT:0) הדפסה:0 (3D Print:FLT:1 filament fabrication (FFF) או סטראוליתוגרפיה מאפשרים מיקום מדויק וכיוון של מילויים בכל שכבת מודפסת.

טכניקות ייצור עבור רפואי-Grade Thermal Composites

בחירת שיטת הייצור משפיעה על מבנה המיקרו של המסובייק, פיזור מלא, ובסופו של דבר התכונות התרמיות והמכניות שלה. עבור מכשירים רפואיים, השיטה חייבת להיות גם מדרגת בתנאי ניקוי ולעמוד בסטנדרטים של ניהול איכות ISO 13485.

עקבו אחרי Melt Banding

מטבוליות (למשל, PEEK, פוליקרבונט) ניתן למורכב עם מילויים באמצעות פיזור רב-הקרבה, המספק ערימה גבוהה עבור פיזור.הירכיים המתקבלות הם אז הזרקת-מזוהה לתוך רכיבי המכשיר. שיטה זו היא יעילה עבור כרכים גבוהים אך יכולה לגרום לפירוק מלא (במיוחד עבור סיבים פחמן) וייתכן שלא להשיג היערכות בינונית (ממזגת 2) עבור דרישות ממות בינוניות (ממות) ו- mcable עבור שימוש נרחב).

פתרון להורדת ו-Compression

עבור thermoset matrices כמו epoxy או סיליקון, פתרון ליהוק כרוך disting את השרף, ערבוב ממלאים, הסרה ממס, וריפוי עובש. קומפרסציה עובש חל חום ולחץ כדי לעצב את הטכניקות האלה מורכבים.טכניקות אלה לאפשר עומסי מילוי גבוהים יותר (עד 70 וולט%) ולשלוט טוב יותר על אוריינטציה באמצעות צעדים טרום עיבוד כגון לוח שנה או היערכות מגנטית, עם זאת, כדי להיות עקביות, יכול להיות מסובב.

ייצור תוספת (3D הדפסה)

הדפסה 3D מציעה חופש עיצוב שאין כמוהו עבור מכשירים רפואיים מותאמים.כמה שיטות תואמות עם תרכובות תרמיות:

(FLT:0)Fuse filament fabrication (FFF): ראטמב ( 1 פילמנטים עמוסים בסיבים פחמן או BN ניתן להדפיס לתוך גיאוגרפיה מורכבת.ההר מן היישרים של nozzle מתואמים לאורך כיוון ההדפסה, יצירת מוליכות אנזוטרופית. Post-מעבד annealing יכול לשפר עוד תכונות.
(FLT:0) tereolithography (SLA): irFLT:1 , rescurable resins מלא קרמיקה או חלקיקים מתכתיים ניתן להדפיס עם החלטה גבוהה.
(ב) כתב (DIW): ⁇ 1 ⁇ ויסקיליסטי המכיל שברירי מילוי גבוהים ניתן לחדור כסדקים, המאפשר תכונות ⁇ .

דוגמה בולטת היא הדפסה של שתלים סרטניים ספציפיים לחולה שנעשו מתרכובת PEEK-graphene אשר מבצעת חום הרחק מהמוח במהלך הליכי הדבקה לייזר מונחה MRI.היכולת להתאים את מוליכות תרמית באזורים שונים של השתל היא יתרון ישיר של ייצור תוספים.

סיקור: Surface Coating and Interface Deposition

לפעמים מוליכות תרמית גדולה אינה המטרה; במקום זאת, ציפוי פני השטח עם תכונות תרמיות מותאמות הוא צורך.טכניקות כמו מחיקה פיזית (PVD), נפיחות כימית (CVD), או sputtering יכול ליישם שכבות דקות (מיקרומטר) של מתכות בעלות גבוהה או קרמיקה על תת-פחמן יהלום (DLC), למשל, ציפוי תרמי עבור 10 / 50 נקודות-קליות מתאים לחיתוך מתכות או קרמיקה על תת-גלממות.

יישומים במכשור רפואי

תרכובות תרמיות מחוות מותאם מאפשרות דור חדש של מכשירים רפואיים על פני אבחון, טיפולים, ו ניטור. להלן הם אזורי יישום מרכזיים.

מכשירים בלתי ניתנים להשתלות: ניכוי חום ו בידוד

מכשירים ניטאריים - כגון קוצרים, נוירו-סנסולוטורים, משאבות סמים, ושתלי כפייה - מכילים אלקטרוניקה פעילה המייצרת חום במהלך הפעולה.אם לא מתפזר, חום זה יכול לגרום נזק לרקמות מקומיות או לעורר תגובות דלקתיות. לדוגמה, קוצב טיפוסי יכול לקלקל את הקשר בין 0 ל-0.5 W.acasing את המעגל בדיור טיטאני (k 17/m) אבל גורם חום מתאים ל- MRI.

לעומת זאת, כמה מכשירים מושתלים דורשים בידוד תרמי.לדוגמה, ערכת סוללות חוט השדרה חייב להימנע חימום רקמות עצביות סמוכים. Composites עם מוליכות תרמית נמוכה (באמצעות מיקרוספירות זכוכית חלולה או אבקת aerogel מפוזרים במטרת סיליקון) ניתן להשתמש כמו encapsulants.חומרים אלה לשמור על גמישות תוך שמירה על פני השטח החיצוני בתוך גבולות בטוחים (

ציוד אבחון: ניהול תרמית

הדמיה מגנטית של התחדשות (MRI), צינורות רנטגן (CT), ומערכות רנטגן משלבים רכיבים בעלי עוצמה גבוהה כמו סלילים ⁇ , צינורות רנטגן, גלאיים כי יש להיות קירור פעיל. Composite תרמי חומרים ממשק תרמי (TIM) משמשים בין רכיבי חום ולוחות קר. עבור MRI, TIM חייב להיות לא מגנטי וחשמלי באופן פעיל כדי למנוע סיליקון / הם מופעלים על ידי קרישה של טיפול משותף.

בבדיקות אולטרסאונד אבחון, גבישים אדזואלקטריים לייצר חום במהלך סריקה מתמשכת. שכבת גיבוי מורכבת עם מוליכות תרמית מבוקרת יכול לרחוץ חום מהפנים קריסטל לתוך הטיפול תוך לחות אקוסטית של רטטים לא רצויים על ידי התאמת מוליכות תרמית של המסובייק כדי להתאים את פרופיל הכוח, מהנדסים יכולים למנוע בדיקה יתר על המידה מבלי להוסיף מעריצים פעילים קירור.

Thermal Therapies: Hyperthermia ו-Ablation

חימום מקומי משמש לטיפול בגידולים (hyperthermia ב 40-44 ° C) או להרוס לצמיתות רקמת (רדיו ⁇ או מיקרוגל ablation ב > 50 ° C) חומרים Composite לשחק תפקידים כפולים: הם חייבים ביעילות לספק חום ממקור אנרגיה לרקמה היעד תוך הגנה על רקמות בריאה , לדוגמה, אנטנות של מיקרוגל הם לעתים קרובות עם שכבה דקה של חומרת חום בינונית של חומר חום-חום כי יש לחץ דם בינוני כדי למנוע את משך טיפול מורכב במהירות חנקן (Ric) חום מתוחהמת חום מתוחה (Ricricricricricrgicrgic) חום .

כיוון מחקר מבטיח משתמש בתרכובות בצורת-זיכרון עם מוליכות תרמית מותאמות.ניתן להכניס מכשירים אלה בצורה קומפקטית ולאחר מכן מחומם (על ידי שדה תדר רדיו חיצוני) כדי להרחיב ולעמוד על רקמות, עם החום המדריך המכוונים בדיוק לאזור היעד.

משקפי בריאות ללבוש ו Point-of-Care מכשירים

מכשירים לבישים (צופים חכמים, צגים גלוקוז רצופים, ECG כתמים) לייצר חום מאלקטרוניקה וסוללות. מכשיר שחוקים פרק כף יד כי מקבל חם יותר מ 40 מעלות צלזיוס יכול לגרום לשרוף עור במגע ממושך. Composites עם מוליכות תרמית בתוך מטוס (מקביל לעור) יכול להפיץ חום מאוחר יותר, צמצום כתמים חמים, בעוד דרך מוליכות מטוס (פני) נשמר נמוך ל-aperamics) באמצעות סרט זה / mcrexo-axo-axts.

עבור מחסניות אבחון נקודה-של טיפול (למשל, עבור PCR או אימונוקסיס), בקרת טמפרטורה מדויקת נדרשת עבור רכיבה על אופניים תרמיים.חומרי Composite המשלבים מוליכות תרמית גבוהה עם בידוד חשמלי מאפשרים תנורי חום וחיישנים מיניים להיות מוטבעים ישירות לתוך ערוצים מיקרו-fluidic, צמצום המכשיר וצריכת החשמל.

אתגרים בפיתוח רפואי-Grade Thermal Composites

למרות ההתקדמות המדהימה, יש להתגבר על כמה מהמכשולים לפני שהחומרים האלה הופכים לסטנדרטיים במכשירים רפואיים.

זמינות ביולוגית ויציבות ארוכת טווח

כל חומר המיועד ליצירת קשר ממושך עם הגוף חייב לעבור בדיקות ביו-תחרותיות קפדניות ל- ISO 10993 (הערכה ביולוגית של מכשירים רפואיים) מלאנים כמו CNTs או חלקיקים מתכת עשויים להיות רעילים אם הם נצמדים מאסטרטגיות מטריקס. Encapsulation והשימוש בפולימרים ברמה רפואית יכול להפחית את זה, אבל יציבות לטווח ארוך תחת עומס מכני (g, לב עבור סימולציה של 319 ליטרים לא תמיד חייב להיות מוקרן.

ייצור סקאביה וחזרה

הפחתת תרכובות תרמיות נשלטות בדיוק בקנה מידה מסחרי היא מאתגרת.ריאציות קטנות בפיזור מלא, אוריינטציה, או התפלגות גודל חלקיקים יכול לגרום וריאציות אצווה-to-batch משמעותי בכלים בקרת איכות כמו מדידה גלימה תרמית גלימה תרמית ומיקרוסקופ אופטי של חתך נדרש.בנוסף, שיטות ייצור מתקדמות רבות (היערכות מגנטית, הדפסה של תוכן גבוה) יש מגבלות על ידי ספייקטציה מוגבלת.

מניות מכניות

עומסי מילוי גבוהים משפרים את מוליכות תרמית אבל לעתים קרובות מדביקים תכונות מכניות - אקסומיטים הופכים יותר מלוטשים, פחות עמידים בפני השפעה, וקשה יותר לעבד.לדוגמה, PEEK מורכב עם 40 סיבים פחמן תנודתיים עשויים להיות מוליכות תרמית של 5 W/mK, אך הזינוק שלה ב-Breaks מ 50% ל- <2%.

סיקור חומרים חדשים

היכרות חדש מורכב לתוך מכשיר רפואי מוסדר הוא תהליך איטי.חומר חייב להיות מאופיין לא רק עבור תכונות תרמיות, אלא גם עבור cytotoxicity, ensitization, גירוי, גנוטוקיות, ואת הגמישות. עבור Class III מושתלים התקנים, מורכב חדש עשוי לדרוש יצירת נתונים נרחב בטיחות וייתכן שיא חדש של מכשיר חדש.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

העשור הבא צפוי לראות התקדמות טרנספורמטיבית בתרכובות תרמיות למכשירים רפואיים, מונעים על ידי חומרים מדע, מודלים חישוביים, ואת הביקוש הגובר לרפואה מותאמת אישית.

ננוקום ומבנה הירארכי

ארכיטקטורות בקנה מידה רב-מידה - כגון הגדלת צינורות פחמן על חלקיקים קרמיקה בגודל מיקרון או הטמעת nanowires בתוך ממטריקס פולימר - יכול להשיג התנהגויות תרמיות בטענות ממלאות נמוך.המפתח הוא ליצור מסלולים תרמיים דרך המורכב, צמצום סף הקולקציה ב-MIT ואוניברסיטת טוקיו הוכיחו את הערך של k עם > W / mK באמצעות תכונה רק עבור היררכיה של 15% / NAP.

עיצוב למידה-Assisted Design

עיצוב מורכב בדיוק את מוליכות תרמית הנכון היא בעיה אופטימיזציה רב-קיימא. אלגוריתמי למידת מכונות יכול להאיץ את החיפוש על ידי למידה של נתונים ניסיוניים וסימולציות לחזות את ההשפעה של סוג מלא, גודל, צורה, טעינה וטיפול בין-גזעי על חברות יעילה כמו חומריםZone ו- Citrine Informatics מציעים פלטפורמות המאפשרות מהנדסי מכשיר רפואי לנכסים קלט ולקבל מועמד מדורג של תוכניות לפיתוח שבועות.

Bio-Inspired Thermal Management

הטבע מציע רמזים עבור רגולציה תרמית יעילה.לדוגמה, ונוס מלכוד משתמש מוליכות תרמית כדי לזהות את החום של prey. in מכשירים רפואיים, החוקרים שואבים השראה מהטבעת ההיררכית של הגוף האנושי עבור ניהול תרמי פעיל - שימוש בערוצי מיקרו-השפעה משובצים במפיצים חום מורכבים. "כלי דם משניים אלה יכולים לשאת נוזלים לנקודות חמות.

היפנוזה עצמית והתאמה של Thermal Composites

דמיינו לעצמכם שתל מורכב בתוך השתל שיכול לתקן מסלולים תרמיים לאחר נזק מכני. פולימרים עצמיים (למשל, דילס-אלדר פולימרים ניתוק תרמיים) משולבים לתוך הממטריקס יכול מדבקים מופעלים על ידי חום.מפלקסים הסתגלות עם חומרים של שינוי שלב (PCMs) כמו שעווה פרפין או גליום יכול גם לווסת טמפרטורה: כאשר הטמפרטורה היא חוצה, מטבולית ביעילות, מטבולית חום, מאפשר ספוגה, ללא מטבוליזם יעיל.

מסקנה

תכנון חומרים מורכבים עם מוליכות תרמית מותאמת היא אבן הפינה של הנדסה מודרנית של מכשירים רפואיים.על ידי הבנת המשחק של מריצה, ממלאים, ממשקים, עיבוד, מהנדסים יכולים ליצור חומרים לנהל חום בדיוק - בין אם מרתיעים אותו מאלקטרוניקה פעילה, לספק אותו לטיפול, או בידוד של רקמות רגישות באופן פעיל.