一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头

摘要

本发明公开了一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头；包括保护外套、内绝热层、导热带和外绝热层；保护外套前端设有端头，后端设有连接体，连接体的侧部和连接体后端部中心分别设有开口，两个开口通过通道连通，光纤连接体后端部中心的开口伸入，进入到端头的侧部开口处；内绝热层包裹在连接体后端的光纤外周，导热带有多层，多层间隔设置在内绝热层外周，每一层的导热带间隔设置；外绝热层包裹在导热带外周；导热带由多条长弧形片状组成；导热带由石墨基导热材料制成；解决了靶头使用过程中由于热沉积导致的烧损问题以及靶头的柔性问题，有利于提高医用激光热疗靶头的功率，减少靶头质量和降低靶头质量。

权利要求

1.一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于，包括保护外套、内绝热层、导热带和外绝热层；

所述保护外套前端设有端头，后端设有连接体，连接体的侧部和连接体后端部中心分别设有开口，两个开口通过通道连通，光纤从连接体后端部中心的开口伸入，进入到连接体的侧部开口处；

所述内绝热层和外绝热层都为空心薄壁圆柱形，导热带由多条形状为长弧形片状结构组成；

所述内绝热层包裹在连接体后端的光纤外周，导热带有多层，多层间隔设置在内绝热层外周，每一层的导热带间隔设置；外绝热层包裹在导热带外周；

内绝热层与外绝热层由柔性隔热材料制成；导热带由石墨基导热材料制成；

所述石墨基导热材料通过如下方法制备：先将氧化石墨烯溶液加至抽滤漏斗中抽滤得到氧化石墨烯膜，将氧化石墨烯膜干燥；将干燥后的氧化石墨烯膜浸入填充溶液中保持1～

2h取出干燥；所得氧化石墨烯膜夹在两块光滑平整石墨板之间，施加压力并置于管式炉中，在CO为氛围下先升温至200～250℃保持2～3h，切断CO气体，以N2为保护气，升温至1200～

1400℃保持2～3h；所述填充溶液为甲酸铬的四氯化碳溶液，甲酸铬与四氯化碳的质量比为

1:10-20；以质量份数计，填充溶液20～30份，氧化石墨烯溶液70～80份；所述氧化石墨烯溶液的浓度为4～6mg/ml。

2.根据权利要求1所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：所述的保护外套的连接体后端面设有多道孔槽，内绝热层、导热带和外绝热层的一端都插入孔槽中，与连接体连接。

3.根据权利要求1所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：所述的内绝热层与外绝热层都由玻璃纤维、石棉或气凝胶制成。

4.根据权利要求1所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：所述的导热带设有2-6层。

5.根据权利要求1所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：导热带由石墨基导热片材剪制形成。

6.根据权利要求1所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：所述的导热带的每层间隔成4-20条均匀设置。

7.根据权利要求1所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：所述的保护外套前端的端头为半球形结构，所述连接体为柱状体结构。

8.根据权利要求7所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：所述的柱状体后端部为圆形平面。

9.根据权利要求1所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：所述的将氧化石墨烯膜干燥是将氧化石墨烯膜置于50～70℃真空烘箱中干燥2～3h。

10.根据权利要求1所述的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，其特征在于：所述的氧化石墨烯膜浸入填充溶液中保持1～2h取出干燥是将氧化石墨烯膜完全浸入填充溶液中保持1～2h取出，在40～60℃真空干燥箱中干燥3～4h。

说明书

一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光热疗靶头，特别是涉及一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，属于医用热疗器械领域。

背景技术

[0002] 热疗是利用外热源加热肿瘤组织的方式杀死癌细胞，同时不损伤正常组织细胞，其作为手术治疗、化学治疗、放射治疗和生物治疗的补充被应用于精准肿瘤热疗中。由于激光具有高亮度，方向性及单色性等特性，使得其成为热疗的良好热源，利用光纤激光器，通过将装有激光头的光纤插入需要治疗的肿瘤组织中，引导激光照射对应组织产热达到精准治疗效果。现有的激光治疗头常通过水冷的方式，如采用刚性全金属水冷靶头，该金属水冷靶头由于需要流体输送机械，因而靶头体积大，不利于减小伤口创伤面积；并且水冷的微通道加工困难，导热能力有限，导致光纤头易烧损，与组织间易粘连；同时刚性全金属水冷靶头由于是刚性结构，靶头使用的灵活性差，难以在使用过程中避开人体大血管或重要器官，治疗风险大。

发明内容

[0003] 针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种导热效果持续良好，质量轻，体积小，具有良好柔性的，可以避免烧伤组织，减小伤口创伤面积和避开人体大血管或重要器官的基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头。

[0004] 石墨是自然界中广泛存在的一种矿物原料，存在无定型态(微晶)、鳞片状晶体和高结晶态三种。片状石墨为碳原子组成的六角网状结构的叠合体，形成六角环的碳原子以sp2杂化轨道电子形成的σ键和轨道电子形成的π键相连接，C-C键长0.142nm，平均键能627kJ/mol，六角形网络层间以范德华力结合，层间距约为0.335nm，具有与金属相近的热导率，而由于石墨层间无化学键构成，层与层之间的纵向热导率成为限制石墨热导率的主要因素。传统的导热材料以金属为主，导热系数为百级W/(m·k)，以石墨基为代表的新型复合材料，在工程领域中已有多种用途，相关报道的导热系数有千级W/(m·k)以上。单层或少层石墨烯构筑而成的石墨基材料具有优异的导热性能，但由于热还原氧化石墨烯过程产生气体导致片层间隙变大，影响石墨基材料的导热性能持续性；本发明内容以现有石墨材料为基础，通过添加填充剂填补修饰层间缺陷，得到质量轻，价格低的，具有较好柔性的持续高导热性能石墨基复合材料。

[0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，包括保护外套、内绝热层、导热带和外绝热层；

[0007] 所述保护外套前端设有端头，后端设有连接体，连接体的侧部和连接体后端部中心分别设有开口，两个开口通过通道连通，光纤从连接体后端部中心的开口伸入，进入到连接体的侧部开口处；

[0008] 所述内绝热层和外绝热层都为空心薄壁圆柱形，导热带由多条形状为长弧形片状结构组成；

[0009] 所述内绝热层包裹在连接体后端的光纤外周，导热带有多层，多层间隔设置在内绝热层外周，每一层的导热带间隔设置；外绝热层包裹在导热带外周；

[0010] 内绝热层3与外绝热层5由柔性隔热材料制成；导热带由石墨基导热材料制成；

[0011] 所述石墨基导热材料通过如下方法制备：先将氧化石墨烯溶液加至抽滤漏斗中抽滤得到氧化石墨烯膜，将氧化石墨烯膜干燥(石墨基导热材料的成型)；将干燥后的氧化石墨烯膜浸入填充溶液中保持1～2h取出干燥(石墨基导热材料的改性)；所得氧化石墨烯膜夹在两块光滑平整石墨板之间，施加压力并置于管式炉中，在CO为氛围下先升温至200～250℃保持2～3h，切断CO气体，以N2为保护气，升温至1200～1400℃保持2～3h(石墨基导热材料的热处理)；所述填充溶液为甲酸铬的四氯化碳溶液，甲酸铬与四氯化碳的质量比为1:
10-20；以质量份数计，填充溶液20～30份，氧化石墨烯溶液70～80份；所述氧化石墨烯溶液的浓度为4～6mg/ml。

[0012] 为进一步实现本发明目的，优选地，所述的保护外套的连接体后端面设有多道孔槽，内绝热层、导热带和外绝热层的一端都插入孔槽中，与连接体连接。

[0013] 优选地，所述的内绝热层与外绝热层都由玻璃纤维、石棉或气凝胶制成。

[0014] 优选地，所述的导热带设有2-6层。

[0015] 优选地，导热带由石墨基导热片材剪制形成。

[0016] 优选地，所述的导热带的每层间隔成4-20条均匀设置。

[0017] 优选地，所述的保护外套前端的端头为半球形结构，所述连接体为柱状体结构。

[0018] 优选地，所述的柱状体后端部为圆形平面。

[0019] 优选地，所述的将氧化石墨烯膜干燥是将氧化石墨烯膜置于50～70℃真空烘箱中干燥2～3h。

[0020] 优选地，所述的氧化石墨烯膜浸入填充溶液中保持1～2h取出干燥是将氧化石墨烯膜完全浸入填充溶液中保持1～2h取出，在40～60℃真空干燥箱中干燥3～4h。

[0021] 本发明基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头通过石墨基复合导热材料热传导作用将热量导至远离光纤处，从而防止光纤头过热甚至烧损。

[0022] 相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

[0023] 1)单层或少层石墨烯构筑而成的石墨基材料具有优异的导热性能，由于热还原氧化石墨烯过程产生气体导致片层间隙变大，在热还原过程中，本发明以四氯化碳为碳源，甲酸铬在高温还原过程中生成铬作为催化剂，沿铬周围生长纳米碳管并填充片层间隙，从而提高石墨片层间热导率，进而提高石墨基材的整体持续导热效果。

[0024] 2)传统激光热疗靶头通过水冷方式完成保护外套的散热，由于激光热疗靶头整体体积小，水在微通道中流速与流量有限，换热量少，利用石墨基复合导热材料进行热传导的方式比传统的水冷方式散热效率明显提高，石墨基复合导热材料具备高热导率，可以将保护外套热量快速导出以避免保护外套过热，以石墨基复合导热材料制备得到的一种医用激光热疗靶头，相比水冷方式，不需要流体输送机械与输送管路，降低了结构的复杂性，减轻了靶头的整体质量，有利于减小伤口创伤面积。

[0025] 3)本发明内绝热层将导热带与光纤隔开，防止光纤侧面烧损，外绝热层将导热带与组织隔开，防止烧伤组织。

[0026] 4)本发明内绝热层、外绝热层和光纤都是柔性材料制成，到热带间隔多层，每层经过间隔设置，实现了柔性设计，本发明医用激光热疗靶头可以实现弯折使用，使靶头在使用过程中可以避开人体大血管或重要器官，降低治疗风险。附图说明：

[0027] 图1为热还原少层石墨烯的断面SEM图。

[0028] 图2为实施例所得基于石墨基复合导热材料的断面SEM图。

[0029] 图3为实施例所得石墨基复合导热材料的拉曼光谱图。

[0030] 图4为基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头中光纤、内绝热层与保护外套之间连接图。

[0031] 图5为基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头中导热带与保护外套之间连接图。

[0032] 图6为基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头中外绝热层与保护外套之间连接图。

[0033] 图7为保护外套端面凹槽分布图。

[0034] 图中示出：保护外套1、光纤2、内绝热层3、导热带4、外绝热层5。

具体实施方式

[0035] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述，但本发明的实施方式不限如此。

[0036] 如图4-7，一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，包括保护外套1、内绝热层3、导热带4和外绝热层5。

[0037] 保护外套1前端设有端头，后端设有连接体，连接体的侧部和连接体后端部中心分别设有开口，两个开口通过通道连通，光纤2从连接体后端部中心的开口伸入，进入到连接体的侧部开口处；

[0038] 光纤2为圆柱形，进入柱状体前端时，光纤2弯折。内绝热层3和外绝热层5都为空心薄壁圆柱形。导热带4由多条形状为长弧形片状结构组成。内绝热层3包裹在连接体后端的光纤2外周，导热带4有多层，多层间隔设置在内绝热层3外周，每一层的导热带4间隔设置；外绝热层5包裹在导热带4外周；

[0039] 保护外套1的连接体后端面处设有多道孔槽，内绝热层3、导热带4和外绝热层5的一端都插入孔槽中，与连接体连接。具体是保护外套1的连接体后端面从中心往外间隔设有2道环形槽，内绝热层3和外绝热层5分别通过2道环形槽连接在连接体上；在两道环形槽之间，保护外套1的连接体后端面间隔设置了多道弧形槽，导热带4通过间隔布置的弧形槽与连接体连接。

[0040] 内绝热层3与外绝热层5由柔性隔热材料制成；导热带由石墨基导热材料制成；

[0041] 优选地，内绝热层3与外绝热层5都由玻璃纤维、石棉或气凝胶制成。导热带设有2-6层。导热带由石墨基导热片材剪制形成。导热带的每层间隔成4-20条均匀设置。保护外套前端的端头为半球形结构，所述连接体为柱状体结构。柱状体后端部为圆形平面。

[0042] 由于石墨基复合导热片具有热导率高，力学性能良好、稳定，质量轻的特点，并通过裁剪并以间隔包裹形成热通道的方式，提高靶头的散热效率，降低靶头质量与体积，同时间隔排布能够，使靶头具有更高的弯折度，使靶头在使用时能够通过弯折避开重要器官或大血管，提高治疗效果。

[0043] 本发明的医用激光热疗靶头使用时配合医学影像技术，通过穿刺将靶头引导至相应治疗位置。

[0044] 实施例1

[0045] 一种基于石墨基复合导热材料，由以下重量份的组分制成：80份氧化石墨烯(浓度4mg/ml)，20份填充剂溶液(溶质为甲酸铬，溶剂为四氯化碳，其中，甲酸铬与四氯化碳的质量比为1:15)。

[0046] 一种基于石墨基复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

[0047] 1)将6ml氧化石墨烯溶液滴加至抽滤漏斗中抽滤2h得到氧化石墨烯膜，将氧化石墨烯膜置于70℃真空烘箱中干燥2h。

[0048] 2)将干燥后的氧化石墨烯膜完全浸入填充剂溶液中保持1h取出，在50℃真空干燥箱中干燥4h得到改性石墨片。

[0049] 3)将改性后的石墨片夹在两块光滑平整的石墨板之间，施加10MPa压力并置于管式炉中，在CO氛围下先升温至200℃保持3h，而后切断CO供气，通入N2并升温至1200℃保持3h。

[0050] 实施例1所得基于石墨基复合导热材料的拉曼测试结果如图3所示，其中D峰与G峰的比用于表征石墨的缺陷密度，其值越小，表明其缺陷越少，图中石墨片的D峰低于G峰，其强度比值约为0.9，低于直接热还原得到的还原氧化石墨烯，约为1.5。拉曼分析D峰与G峰分布说明改性石墨片的缺陷减少，加入填充剂也可以减少石墨片层的缺陷。

[0051] 实施例1制备的石墨基复合导热材料与未在填充剂溶液浸泡仅通过抽滤漏斗抽滤并以相同热还原工艺制备得到的热还原石墨片的热扩散系数通过激光导热仪测量得到，比热通过示差量热扫描仪测量得到，抗拉强度通过万能实验机测量得到。热扩散系数、比热与抗拉强度如表1所示。

[0052] 表1

[0053]种类 热扩散系数(mm2·s-1) 比热(J/g-1·k-1) 抗拉强度(MPa)
热还原石墨片 1147.6 0.68 7.4
石墨基复合导热材料 1856.4 0.71 10.8

[0054] 根据导热系数测试标准ASTM E14061-01，材料的热导率等于其对应温度下热扩散系数、比热与密度的乘积，分别计算得到石墨基复合导热材料热导率为874W·m-1k-1，热还原石墨片热导率为412W·m-1k-1。

[0055] 实施例1所得基于石墨基复合导热材料的扫描电镜结果如图2所示，对比图1直接热还原得到的石墨烯，在高温热处理后石墨片层间由于还原产生的二氧化碳气体排出而出现片层间距较大的现象，使得层间的纵向热导率明显降低，相比之下，加入填充剂的改性石墨烯，由于热还原过程中片层间距增大的同时，以四氯化碳为碳源，甲酸铬为催化剂生长得到纳米碳管填充了片层间隙，从而在片层间形成导热通道，明显提高了层间热导率，从热还原石墨片热导率为412W·m-1k-1提高到本实施例石墨基复合导热材料热导率为874W·m-1k-1。

[0056] 一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，导热带4为本实施例所得的基于石墨基复合导热材料制备，将制备的直径约80毫米，厚度为0.5mm石墨基复合导热材料，经过裁剪，形成为长为60mm，宽为30～35mm的条状，保护外套1为钛合金材料，光纤2为石英材料，内绝热层3与外绝热层5为气凝胶材料。

[0057] 实施例1所得的医用激光热疗靶头，将导热带4延宽度方向弯曲并分别对应插入内绝热层3环形槽与外绝热层5环形槽之间的弧形槽，弧形槽的排布延半径方向由内向外共有四层，每一层间隔均匀分布四个相同弧形槽。

[0058] 与现有技术多采用的刚性全金属水冷靶头相比，由于导热带的热导率是铜、银等金属的两倍，通过热传导方式换热量为35W，相同条件水冷换热量为15W，且相比水冷通过热传导的方式散热避免了金属水冷存在靶头体积大，微通道加工困难，需要配置流体输送机械等问题。导热带4采用的石墨基复合材料，内绝热层3、外绝热层5采用的气凝胶材料等材料，质量都很轻，减小了靶头重量。由于与保护外套相连的光纤2，内绝热层3，外绝热层5均为柔性材料，且导热带4制备方法和原料组合，以及通过间隔排布的方式，有利于提高柔性，制备得到的医用激光热疗靶头能够紧贴在直径为80mm的圆柱侧面，且多层包裹的医用热疗靶头抗拉强度为10MPa，满足使用要求。本实施例1所得的医用激光热疗靶头结构轻巧，有利于减小伤口创伤面积，同时，由于具有良好的弯折性能，使靶头在使用过程中可以避开人体大血管或重要器官，降低治疗风险。

[0059] 实施例2

[0060] 一种基于石墨基复合导热材料，由以下重量份的组分制成：75份氧化石墨烯(浓度4mg/ml)，25份填充剂溶液(溶质为甲酸铬，溶剂为四氯化碳，其中，甲酸铬与四氯化碳的质量比为1:10)。

[0061] 一种基于石墨基复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

[0062] 1)将8ml氧化石墨烯溶液滴加至抽滤漏斗中抽滤2h得到氧化石墨烯膜，将氧化石墨烯膜置于60℃真空烘箱中干燥2h。

[0063] 2)将干燥后的氧化石墨烯膜完全浸入填充剂溶液中保持2h取出，在40℃真空干燥箱中干燥3h得到改性石墨片。

[0064] 3)将改性后的石墨片夹在两块光滑平整的石墨板之间，施加10MPa压力并置于管式炉中，在CO氛围下先升温至250℃保持3h，而后切断CO供气，通入N2并升温至1400℃保持2h。

[0065] 实施例2制备得到的石墨基复合导热膜的测试结果与实施例1基本相同。

[0066] 一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，导热带4为本实施例所得的基于石墨基复合导热材料制备，将制备的厚度为0.6mm石墨基复合导热材料裁剪为长为60mm，宽为30～40mm的条状，保护外套1为钛合金材料，光纤2为石英材料，内绝热层3与外绝热层5为石棉材料。

[0067] 实施例2所得的医用激光热疗靶头，将导热带4延宽度方向弯曲并分别对应插入内绝热层3环形槽与外绝热层5环形槽之间的弧形槽，弧形槽的排布延半径方向由内向外共有五层，每一层间隔均匀分布五个相同弧形槽。

[0068] 与现有技术多采用的刚性全金属水冷靶头相比，由于导热带的热导率是铜、银等金属的两倍，通过热传导方式换热量为41W，相同条件水冷换热量为15W，且相比水冷通过热传导的方式散热避免了金属水冷存在靶头体积大，微通道加工困难，需要配置流体输送机械等问题。导热带4采用的石墨基复合材料与内绝热层3、外绝热层5采用的石棉材料质量很轻，减小了靶头重量。由于与保护外套相连的光纤2，内绝热层3，导热带4，外绝热层5均为柔性材料，且导热带4制备方法和原料组合，以及通过间隔排布的方式有利于提高柔性，制备得到的医用激光热疗靶头能够紧贴在直径为70mm的圆柱侧面，且多层包裹的医用热疗靶头抗拉强度为9MPa，满足使用要求。因此，实施例所得的医用激光热疗靶头结构轻巧，有利于减小伤口创伤面积，同时，由于具有良好的弯折性能，使靶头在使用过程中可以避开人体大血管或重要器官，降低治疗风险。

[0069] 实施例3

[0070] 一种基于石墨基复合导热材料，由以下重量份的组分制成：70份氧化石墨烯(浓度6mg/ml)，30份填充剂溶液(溶质为甲酸铬，溶剂为四氯化碳，其中，甲酸铬与四氯化碳的质量比为1:20)。

[0071] 一种基于石墨基复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

[0072] 1)将6ml氧化石墨烯溶液滴加至抽滤漏斗中抽滤2h得到氧化石墨烯膜，将氧化石墨烯膜置于50℃真空烘箱中干燥3h。

[0073] 2)将干燥后的氧化石墨烯膜完全浸入填充剂溶液中保持2h取出，在50℃真空干燥箱中干燥4h得到改性石墨片。

[0074] 3)将改性后的石墨片夹在两块光滑平整的石墨板之间，施加10MPa压力并置于管式炉中，在CO氛围下先升温至250℃保持3h，而后切断CO供气，通入N2并升温至1300℃保持3h。

[0075] 实施例3得到的石墨基复合导热膜的测试结果与实施例1基本相同。

[0076] 一种基于石墨基复合导热材料的医用激光热疗靶头，导热带4为本实施例所得的基于石墨基复合导热材料制备，将制备的厚度为0.4mm石墨基复合导热材料裁剪为长为60mm，宽为25～30mm的条状，保护外套1为钛合金材料，光纤2为石英材料，内绝热层3与外绝热层5为玻璃纤维材料。

[0077] 实施例3所得的医用激光热疗靶头，将导热带4延宽度方向弯曲并分别对应插入内绝热层3环形槽与外绝热层5环形槽之间的弧形槽，弧形槽的排布延半径方向由内向外共有三层，每一层间隔均匀分布五个相同弧形槽。

[0078] 与现有技术多采用的刚性全金属水冷靶头相比，由于导热带的热导率是铜、银等金属的两倍，通过热传导方式换热量为25W，相同条件水冷换热量为15W，且相比水冷通过热传导的方式散热避免了金属水冷存在靶头体积大，微通道加工困难，需要配置流体输送机械等问题。导热带4采用的石墨基复合材料与内绝热层3、外绝热层5采用的玻璃纤维材料质量很轻，减小了靶头重量。由于与保护外套相连的光纤2，内绝热层3，导热带4，外绝热层5均为柔性材料，且导热带4制备方法和原料组合，以及通过间隔排布的方式有利于提高柔性，制备得到的医用激光热疗靶头能够紧贴在直径为85mm的圆柱侧面，且多层包裹的医用热疗靶头抗拉强度为7MPa，满足使用要求。因此，实施例所得的医用激光热疗靶头结构轻巧，有利于减小伤口创伤面积，同时，由于具有良好的弯折性能，使靶头在使用过程中可以避开人体大血管或重要器官，降低治疗风险。