التحليل الحراري للمواد الطبية

الشريحة 0 : التحليل الحراري للمواد الطبية

سيداتي وسادتي،

مرحبًا بكم في ندوة METTLER TOLEDO المقامة عبر الويب حول التحليل الحراري للمواد الطبية".

في مجال الرعاية الصحية، يعد اختبار جودة المنتجات والمواد والمكونات النشطة أمرًا حيويًا حيث إن المنتجات غير المناسبة أو الملوثة قد تضر بصحة المريض الخاضع للعلاج.

يعد التحليل الحراري طريقة ممتازة لاختبار العديد من الخوتاص الفيزيائية والكيميائية المختلفة مثل درجة حرارة التزجج ومحتوى الرطوبة والتركيب والاستقرار طويل المدى وكذلك سلوك المادة في أثناء التحلل. وهذا التحليل يمنح المنتجين الثقة في أن منتجاتهم مصنعة حسب المعيار الصحيح والمناسب وغير ملوثة.

وعلى مدار مدة هذه الندوة المقامة عبر الويب، أود أن أصف مجموعة من أمثلة الاستعمالات المثيرة للاهتمام والتي تثبت فائدة التحليل الحراري في مجال الرعاية الصحية.

الشريحة 1: المحتويات

تسرد هذه الشريحة الموضوعات التي أريد تناولها.

حيث سأناقش أولاً أهم الآثار والخصائص التي يمكن دراستها عن طريق التحليل الحراري في مجال الرعاية الصحية، والتقنيات المستخدمة لقياسها.

التقنيات التي تمت مناقشتها هنا تشمل:

كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي، أو DSC كما يُطلق عليه عادة؛

التحليل الحراري الوزني، أو TGA؛

التحليل الحراري الميكانيكي أو TMA؛ و

التحليل الميكانيكي الديناميكي أو DMA.

ومع كل تقنية، سأقدم عددًا من الأمثلة التي توضح طريقة استخدام التحليل الحراري لتأهيل المنتجات الطبية.

وأخيرًا، سأوجز تقنيات التحليل الحراري المختلفة ومجالات استعمالها، وسأسرد عددًا من المراجع المفيدة لمزيد من المعلومات والقراءة.

الشريحة 2: مقدمة

أحدثت التطورات المستمرة في العلوم الطبية ثورة في الرعاية الصحية للإنسان. فالهدف من الرعاية الصحية للإنسان لا يقتصر على معالجة الأمراض والإصابات بل يشمل تشخيص الحالات التي يحتمل أن تكون مضرة ومنعها. والمنتجات الطبية تقوم فقط بالغرض المخصص منها إذا ما تم تنفيذ تدابير مراقبة الجودة الكافية. وفي السنوات الأخيرة، ازداد اتخدام تقنيات التحليل الحراري في المجالات المتصلة بالطب، مثل إنتاج الأجهزة الطبية والبحث عن المنتجات الطبية الجديدة وتطويرها وإنتاج المستلزمات الطبية. ولهذا علاقة خاصة باختبارات رعاية الجروح وغيرها من منتجات علاج البشرة والعلاج عن طريق الفم.

خلال الحلقة النقاشية، سأقدم تطبيقات التحليل الحراري من المجالات المذكورة سابقًا. يرجى العلم بأن المعلومات الخاصة بالتطبيقات الدوائية يمكن العثور عليها في الندوة عبر الويب "التحليل الحراري في صناعة الأدوية".

الشريحة 3: الصناعات والاستعمالات

يُستخدم التحليل الحراري على نطاق واسع وعلى نحو غير مفاجئ، ويجد تطبيقات في العديد من المجالات ضمن المجال الطبي.

ويلخص الجدول عدة استعمالات مختلفة تقع عمومًا في فئتين. وفي البحث والتطوير، يُستخدم التحليل الحراري للتأكد من أن المنتجات والمركبات ستتمتع بالخواص المناسبة لاستعمالاتها، وتأثير الوقت، ودرجة الحرارة والرطوبة على خواص التخزين والاستخدام. أما الفئة الأخرى لمراقبة الجودة فتفحص المواد المستخدمة في المستلزمات الطبية والأجهزة الطبية. وتتضمن هذه الاختبارات قياس نقاء المادة ومستوى البلورة ودرجات حرارة التزجج والتحليل التركيبي. كما يمكن أيضًا دراسة محتوى الرطوبة وتأثير الرطوبة النسبية.

الشريحة 4: التحليل الحراري

لكن لنبدأ من البداية. ما المقصود بالضبط بالتحليل الحراري؟

تعريف ICTAC للتحليل الحراري هو:

"مجموعة من التقنيات التي تقاس فيها الخاصية المادية لإحدى المواد كدالة للحرارة بينما تخضع المادة إلى برنامج درجة حرارة متحكم فيه".

يوضح الرسم البياني التخطيطي المعروض على اليمين مخططًا بسيطًا لدرجة الحرارة يتميز بمقاطع متساوية الحرارة وخطية.

كما يوضح النصف السفلي من الشريحة الأحداث والعمليات النموذجية التي تحدث عند تسخين المادة، على سبيل المثال، عملية الذوبان التي تتغير فيها العينة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، والأكسدة حيث تبدأ العينة المعرضة للهواء أو الأكسجين في التأكسد وتتحلل في النهاية.

نحن نستخدم تقنيات التحليل الحراري لدراسة هذه الآثار.

الشريحة 5: التحليل الحراري                                              التقنيات  

توضح هذه الشريحة أهم تقنيات التحليل الحراري المستخدمة لتوصيف خصائص المواد والمركبات، وهي:

كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي، أو DSC dee ess see. وهي تقنية التحليل الحراري الأكثر استخدامًا. وتوضح الصورة حساس DSC مع بوتقة تحتوي على عينة (باللون الأحمر)، وبوتقة مرجعية.

التحليل الحراري الوزني، أو TGA tee gee ay. توضح الصورة العينة (باللون الأحمر) ومضمنة في كفة مركبة بآلية الميزان.

التحليل الحراري الميكانيكي، أو TMA tee em ay. وهنا، نرى العينة (باللون الأحمر) موضوعة بين مسابير الكوارتز الثابتة والمتحركة.

التحليل الميكانيكي الديناميكي أو DMA dee em ay. وتوضح الصورة واحدة من عدة مجموعات متاحة لتثبيت العينة، وضع الضغط في هذه الحالة.

وسأشرح هذه التقنيات بمزيد من التفصيل في الشرائح التالية، كما سأقدم وصفًا لبعض أمثلة الاستعمال.

الشريحة 6: كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)

لنبدأ بتقنية DSC. حيث تسمح لنا هذه التقنية بتحديد الطاقة التي تمتصها أو تصدرها العينة أثناء تسخينها أو تبريدها. هناك العديد من الأنواع المختلفة لأجهزة DSC.

تقيس أداة كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي METTLER TOLEDO DSC1 في نطاق درجات حرارة تتراوح من ناقص مائة وخمسين درجة مئوية (–150 درجة مئوية) إلى موجب سبعمائة درجة (700 درجة مئوية) بمعدلات تسخين تصل إلى ثلاثمائة كلفن في الدقيقة (300 ك/د). حيث عادة ما يتم قياس العينات في بوتقات صغيرة مصنوعة من الألومنيوم أو الألومينا أو مواد أخرى، باستخدام كميات للعينات تتراوح بين ملليجرامين اثنين وعشرين ملليجرامًا.

بينما توسع أداة METTLER TOLEDO Flash DSC 1 معدل التسخين إلى معدل مثير هو مليونان وأربعمائة ألف كلفن في الدقيقة (2,400,000 كلفن/دقيقة)، ومعدل التبريد إلى مائتين وأربعين ألف كلفن في الدقيقة (240,000 كلفن/دقيقة). ولتحقيق ذلك، تستخدم أداة Flash DSC 1 أحجام عينات صغيرة جدًا بحجم حوالي مائة نانوجرام (100 نانوجرام) ولا تحتاج إلى بوتقات للعينات، حيث تكون العينة على اتصال مباشر بالحساس. تتيح معدلات التسخين والتبريد فائقة السرعة محاكاة ظروف العملية الصناعية حيث تخضع المواد للتبريد أو التسخين بسرعة بالغة.

وهناك أسلوب قوي آخر لكالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) وهو كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي عالي الضغط أو HPDSC على سبيل الاختصار. حيث يمكن لأداة METTLER TOLEDO HP DSC 1 تحليل العينات تحت غازات خاملة أو متفاعلة بضغوط تصل إلى عشرة ميجاباسكال (10 ميجاباسكال). وهذا يمنع التبخير غير المرغوب فيه للعينات أو يساعد على تثبيت العينات لدراستها تحت ضغوط الأكسجين المتزايدة.

ويُظهر المنحنى الموجود على اليسار منحنى قياس DSC نموذجيًا لأحد البوليمرات شبه البلورية. حيث تتجه التأثيرات الطاردة للحرارة (الحرارة المنبعثة) إلى الأعلى والتأثيرات الماصة للحرارة (الحرارة الممتصة) إلى الأسفل. ويفسر الجدول المعروض على اليمين الميزات الظاهرة على المنحنى ويشرحها.

واحد، الانحراف الأولي أو إشارة البدء العابرة لكالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) (بسبب السعة الحرارية للبوتقة والعينة)؛

اثنان، خط بداية القياس الذي لا تحدث عنده أي آثار حرارية؛ و

ثلاثة، عملية تزجج مع انحلال حراري؛

أربعة، البلورة في التبريد؛

خمسة، ذوبان الكسر البلوري؛ وأخيرًا

ستة، التحلل بالتأكسد الطارد للحرارة.

الشريحة 7: كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)

تُستخدم تقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) لدراسة السلوك الحراري للمواد وخاصة التحولات الفيزيائية والتفاعلات الكيميائية. وترتبط معظم الأحداث المعنية بالتغير في المحتوى الحراري الملاحظ مع زيادة أو انخفاض درجة الحرارة.

يلخص الجدول تطبيقات DSC الأكثر استخدامًا لتوصيف المواد الطبية.

التطبيقات الأساسية المتعلقة بسلوك الذوبان وسلوك البلورة وتعدد الأشكال والمركبات الطبية. كما توفر قياسات DSC أيضًا معلومات حول المحتوى الحراري التحولي والسعة الحرارية النوعية. وأخيرً، يعد التبخر والتفاعلات الكيميائية أيضًا تطبيقات طبية مهمة لجهاز DSC حيث يمكن استخدامها عند تقييم فترة الصلاحية.

وتوضح الصورة الموجودة على يمين الشريحة فرن DSC مفتوحًا مع عينة وبوتقات مرجعية.

الشريحة 8: التطبيق 1: DSC                                 التحولات الطورية

يوضح مثال الاستعمال التطبيقي DSC الأول تفاعل العديد من مركبات الفلافونويد باستخدام وحدة غشائية. مركبات الفلافونويد عبارة عن جزيئات نشطة طبية ذات تأثيرات بيولوجية، مثل نشاط مضاد الفيروسات ومضاد الالتهابات ومضاد الأكسدة. الوحدة الغشائية المستخدمة هنا هي DPPC أو dipalmitoylphosphatidylcholine. وهي عبارة عن شحوم فوسفورية وتتكون من طبقة ثنائية الليبيد. ويمكن استخدام دمج مركبات الفلافونويد في DPPC والليبوزومات الناتجة لغشاء نموذج DPPC كأنظمة توصيل. وتعمل مركبات الفلافونويد على تبديل ميوعة غشاء DPPC وتغيير درجات حرارة التحول من مرحلة الهلام إلى المرحلة البلورية السائلة لمصفوفة DPPC.

تم تحضير أربع مركبات فلافونويد مع تركيبات مختلفة ومعدلات دمج في مصفوفة DPPC. يوضح الشكل منحنيات DSC للتحول الأساسي من مرحلة الهلام إلى المرحلة البلورية السائلة لـ DPPC. نرى بوضوح أن مركبات الفلافونويد المختلفة تؤثر على درجات حرارة التحول لمادة الغشاء ويمكن استخدامها لدراسة جودة التفاعل والدمج في نظام توصيل الأدوية. 

الشريحة 9: التطبيق 2: DSC                                                     الدعامة

في السنوات الأخيرة، وضعت PLA أو متعدد حمض اللاكتيك نفسه كمادة قيمة للغرسات الطبية والتي تستفيد من التحلل الحيوي. تُستخدم الغرسات كصواني تجميع العينات أو براغي أو مسامير أو دعامات. ويجب أن يكون التأثير المرغوب لهذه الغرسات هو البقاء في الجسم في أثناء عملية الشفاء، يليها تفكك بعد اكتمال الشفاء. وتُستخدم أنواعٌ مختلفة من PLA، لمطابقة وقت تحلل الغرسة مع وقت الشفاء، وهو ما قد يحدث خلال عدة شهور أو عدة سنوات. والعاملان الرئيسيان اللذان يحددان طول بقاء المادة بدون لمس قبل التحلل هما التركيب الكيميائي ومستوى البلورية.

يوجد بالشريحة الحالية مثال على قياس DSC لدعامة PLA، مستخدمة للمحافظة على انفتاح الشرايين. توفر درجة حرارة التزجج والبلورية معلومات حول التركيب الكيميائي للمادة. يعد قياس DSC اختبارًا سريعًا وبسيطًا يوفر درجة حرارة التزجج والبلورية من كمية صغيرة من المادة. وبمجرد ربط هذه العوامل بوقت انحلال الغرسة، يكون من السهل فحص طريقة عمل أي تركيب عند غرسه في الجسم.

الشريحة 10: تطبيق: كالوريمتر DSC الضوئي               المعالجة فوق البنفسجية

توضح الشريحة سوك المعالجة لمادة حشو الأسنان حيث تتأثر عملية المعالجة باستخدام الضوء الأزرق. تتكون حشوات الأسنان المعاصرة من مواد منخفضة اللزوجة عند تحضيرها، مما يجعلها سهلة الوضع في التجويف وتأخذ الشكل المطلوب. وبمجرد تفعيلها، يمكن معالجتها بسرعة باستعمال الضوء فوق البنفسجي المرئي. يوضح الرسم البياني منحنيات كالوريمتر فوتوغرافي للتعرض الأول والثاني لأوقات التعرض الثلاثة المختلفة. المنحنيات الموجودة في أعلى يمين الرسم البياني مناظرة للاختلاف بين منحنى التعرض الأول والثاني. ويوضح الدرجة الفعلية لمعالجة النظام.

يوضح الشكل أن المعالجة سريعة للغاية. ومن ثم يمكن اختبار وقت المعالجة المثالي ودرجة المعالجة بسهولة وبسرعة باستخدام جهاز DSC المزود بملحق للأشعة فوق البنفسجية أو مصباح الضوء المرئي.

الشريحة 11: TGA/DSC

لنحول انتباهنا الآن إلى التحليل الحراري الوزني، أو TGA.

ففي هذه التقنية، يتم قياس كتلة العينة باستمرار بينما يتم تسخينها في جو محدد. فكل ما علينا هو وضع بضعة ملليجرامات من العينة في بوتقة وتسخينها وتسجيل تغير الوزن باستمرار. وهذا يسمح لنا بالحصول على معلومات حول تركيب العينة.

ويُظهر المنحنى الموجود على اليسار منحنى قياس DSC نموذجيًا لتحضير عينة طبية. ونلاحظ أن التأثيرات المختلفة مرقمة بجانب المنحنى وموضحة في الجدول. وهي

واحد: يبدأ التسخين، وتتبخر المكونات المتطايرة مثل الرطوبة وبقايا المذيبات، إن وجدت؛

اثنان: فقد ماء التبلور؛

ثلاثة: عند حوالي ثلاثمائة درجة مئوية، تخضع العينة للتحلل؛

رابعًا: الحشوات غير العضوية أو بقايا الرماد.

تستطيع أجهزة METTLER TOLEDO TGA/DSC بطريقة متزامنة قياس تدفق الحرارة، تمامًا مثل جهاز DSC والذي قد يكون مفيدًا للغاية في تحديد سبب النقص في الوزن أو الزيادة في الوزن.

الشريحة 12: التحليل الحراري الوزني (TGA)

تُظهر الصورة على اليمين منظرًا للفرن المفتوح لأداة TGA/DSC، وعلى وجه الخصوص حامل العينة مع المواضع المخصصة للعينة والبوتقات المرجعية. وتكون البوتقات القياسية مصنوعة من الألومينا.

ويعرض الجدول المجاور ملخصًا للاستعمالات التحليلية الرئيسية للتحليل الحراري الوزني (TGA) بالنسبة للمواد الطبية. يُستخدم التحليل الحراري الوزني (TGA) لدراسة تركيب المواد والقياس الكمي للعمليات، مثل التبخر أو الامتصاص أو الامتزاز. تتيح لنا فحص الاستقرار الحراري للمواد وحركيات التفاعل الخاصة بها.

يسمح لنا الجمع بين التحليل الحراري الوزني (TGA) ومقياس الطيف الكتلي أو تجميعة الكروماتوغراف الغازي- مقياس الطيف الكتلي أو مقياس طيف فورييه لتحويل الأشعة تحت الحمراء بتحليل المركبات الغازية المتصاعدة من العينة. وهذا يوفر معلومات حول طبيعة العينة وعند جمعها مع بيانات DSC، توفر أداة قوية لتحليل العديد من المواد. .

الشريحة 13: التطبيق 1: TGA/DSC                         النسيج البيولوجي

في التطبيق الحالي، تم توضيح قياسات TGA للعظام الصناعية ومواد التدعيم الغضروفي. ومادتا التدعيم مجمعتان لتكوين غرسات من أجل استبدال الغضروف المفصلي الذي يُشفى عادةً بمعدل بطيء للغاية.

توضح شريحة العرض منحنيات TGA لكل من مواد التدعيم الفردية ومشتقاتها الأولية أو منحنيات DTG. وكلتا مادتي التدعيم مصنوعتان من خلائط الكولاجين/الكيتوزان مع إضافة حشوة معدنية إضافية في دعامة العظام لتحقيق قوة ميكانيكية إضافية

وكلا مادتي التدعيم تظهران بشكل أساسي ثلاث خطوات للنقص في الكتلة، الأولى بسبب فقد الرطوبة. والخطوتان التاليتان ناتجتان عن تحلل الكيتوزان ثم الكولاجين.

ولا يتبقى أي محتوى من مادة التدعيم الغضروفي بعد التحلل الكامل للمكونات العضوية. أما مادة تدعيم العظام فيتبقى منها 55% بقايا غير عضوية، نفس كمية المحتوى غير العضوي في عظام الإنسان. وبالاستعانة بعدد من قياسات TGA، تم تعديل نسبة خلط مادة تدعيم العظام الصناعية بحيث يكون تركيب مادة التدعيم مطابقًا تمامًا لتركيب عظام الإنسان.

وتوضح مقارنة المنحنيات الاشتقاقية الأولى الموجودة في الجزء السفلي من الشكل أن تحلل المكونات العضوية الموجودة في مادة تدعيم العظام يبدأ في درجات حرارة أعلى مقارنةً بالطبقة الغضروفية. وقد يرجع ذلك إلى تأثير استقرار مادة الحشوة غير العضوية والتي تتفاعل مع الكولاجين والكيتوزان.

الشريحة 14: التطبيق 2: TGA/DSC                                     الرطوبة

توضح الشريحة الحالية قياس TGA للخيط الجراحي القابل للامتصاص. يتحلل الخيط القابل للامتصاص في الجسم ويتميز بعدم الحاجة إلى الإزالة بعد اكتمال الشفاء. يحتوي الجسم على العديد من آليات الامتصاص المختلفة للخيط. على سبيل المثال، تتميه الألياف عندما تلامس الماء الموجود في النسيج. ولحدوث ذلك، يجب ألا يحتك الخيط إلا بالماء عندما يكون في النسيج وليس قبل ذلك. ومن ثم، يجب أن تستبعد عملية إنتاج الخيط وتخزينه الماء قدر الإمكان. ويعد قياس محتوى الرطوبة في بكرة الخيط الجديدة معيارًا مهمًا في مجال مراقبة الجودة.

إن إحدى الطرق السهلة لقياس محتوى الماء بالخيوط غير المعبأة الجديدة هي بواسطة التحليل الحراري الوزني. توضح شريحة العرض قياس الخيط الجراحي المفكوك حديثًا، وتسخينه من درجة حرارة الغرفة حتى 700 درجة مئوية. ويتحلل الخيط في درجات الحرارة الأعلى من 200 درجة، ويتضح ذلك من تقييمات خطوة النسبة المئوية للنقص في الوزن الموضحة بالأزرق. والأكثر أهمية هو النقص في الرطوبة الحاصل عند أقل من 160 درجة مئوية، والذي تم تقييمه باللون الأحضر. هذا هو المحتوى المائي الموجود في الخيط ويظهر ليكون حوالي 0.1 بالمائة تقريبًا من الكتلة الكلية. وتم التأكد من النتيجة بطريقة منفصلة بواسطة تجارب المعايرة بالتحليل الحجمي بطريقة Karl Fischer بمقياس الكولوم.

الشريحة 15: التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)

سننتقل الآن إلى التحليل الحراري الميكانيكي، أو TMA. حيث يعمل هذا الأسلوب على قياس تغيرات أبعاد العينة عند تسخينها أو تبريدها.

يوضح المنحنى البياني المعروض على اليسار نتائج من قياس TMA نموذجي على عينة مركبة في الضغط مع تطبيق حمل صغير. ونلاحظ أن التأثيرين الرئيسيين مرقمان بجانب المنحنى وموضحان في الجدول. وهي

واحد: التمدد أسفل درجة التليين؛

اثنان: التليين مع تشوه البلاستيك تحت تأثير الحمل المطبق.

الشريحة 16: التحليل الحراري الميكانيكي (TMA)

يعرض الجدول ملخصًا للاستعمالات التحليلية المختلفة للتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) للمواد الطبية.

حيث يتمثل الاستعمال الرئيسي في قياس التغيرات في الطول بسبب التسخين أو التبريد، وعلى وجه الخصوص قياس معامل التمدد الحراري، أو CTE.

وتُعد هذه التقنية ممتازة أيضًا لقياس درجة حرارة التزجج، ودراسة سلوك التليين، وخاصة بالنسبة للطبقات الرقيقة أو الطلاءات، ولملاحظة تعدد الأشكال. وعادة ما يتم إجراء قياسات انتفاش المواد في المذيبات.

وتوضح الصورة الموجودة على الجانب الأيمن تكوين TMA نموذجيًا مع مسبار كروي الرأس متصل بعينة زرقاء ومستند على حامل مسطح. يخترق المسبار العينة عند تليينها.

الشريحة 17: الاستعمال 1 TMA                       التليين والسمك

إن أغشية التغليف متعددة الطبقات المستخدمة في المجال الطبي يجب أن تفي بمجموعة كبيرة من المتطلبات، مثل تمديد فترة الصلاحية، والحماية أثناء النقل، وتزويد وظيفة الحاجز، ومقاومة التمزق، وتوقعات البيع المستقبلية، وما إلى ذلك.

وللوفاء بكل هذه المتطلبات، تتكون مواد التعبئة والتغليف العصرية من مختلف طبقات البوليمر الرفيعة المتنوعة المرتبطة معًا لتشكيل غشاء متعدد الطبقات، والذي يوفر بعد ذلك الخواص المطلوبة والتي لا يمكن الحصول عليها من غشاء أحادي الطبقة وحده. ونظرًا لأن طبقات البوليمر الفردية تُظهر درجات حرارة أو درجات ذوبان مختلفة، يمكن الحصول على معلومات حول الطبقات المختلفة من التحليل الحراري الميكانيكي.

تمثل هذه الشريحة نتائج تحليل غشاء متعدد الطبقات بسمك 0.1 مم. تم قياس منحنى TMA باستخدام قوة ضغط تبلغ 0.1 نيوتن ومعدل تسخين يبلغ 5 كلفن في الدقيقة (5 ك/د). وتم استخدام نتائج هذا القياس لتحديد سمك الطبقات الفردية للغشاء المكون من مكونات متعددة. وتم إجراء التعرف على الطبقات المختلفة باستخدام قمم الذوبان في الاشتقاق الأولي لمنحنى TMA. وتشير درجات الذوبان، 106 و118 و178 و189 درجة مئوية، إلى وجود البولي إيثيلين منخفض الكثافة، والبولي إيثيلين منخفض الكثافة الخطي، والولي أميد 12 والبولي أميد 11، على التوالي. ويمكن دمج قمم الذوبان في الاشتقاق الأولي للحصول على سمك طبقة المكونات الفردية في الغشاء. ويمكن إجراء فحص الدقة بواسطة إضافة السمك الفردي لمعرفة أنها إجمالي القيمة الأصلية. والإجابة هنا هي +0.5 ميكرون، وهي مقبولة بسبب التمدد الحراري الذي حدث عند التسخين.

ويعد تقييم طبقتي البولي إيثيلين منخفض الكثافة الخطي عند 120 درة تقريبًا صعبا حيث تتداخل القمم مع بعضها. ولا يمكن تحليل القمة المزدوجة والتي تشير إلى أن الغشاء متعدد الطبقات يحتوي على طبقتين منفصلتين من البولي إيثيلين منخفض الكثافة الخطي بسمك مماثل. وتؤكد صورة المقطع العرضي المجهرية المدرجة قياسات TMA لسمك الغشاء الفردي.

الشريحة 18: الاستعمال 2أ: TMA              التزجج والتليين

يشهد الوقت الحالي تزايدًا في استخدام المواد اللاصقة في العدد من التطبيقات الصناعية، وهكذا الحال في الممارسات الطبية. فالضمادات اللاصقة أو اللاصقات تلتصق بالجلد من خلال المادة اللاصقة، ويتم لصق الجروح البسيطة معًا حتى تلتئم بسرعة، ويتم تثبيت المفاصل الصناعية في مكانها باستخدام إسمنت العظام ويستمر ظهور تطبيقات جديدة.

توضح هذه الشريحة كلاً من قياسات TMA وDSC للاصق من -80 وحتى 170 درجة مئوية. المنحنى الأسود العلوي هو قياس TMA أما السفلي الأحمر فهو قياس DSC. والتأثير الأكثر بروزًا هو التليين، والذي يبدأ عند ثلاثين درجة تقريبًا. وفي قياس TMA، يخترق المسبار العينة وتنخفض حرارة العينة. وفي الحقيقة، يلاحظ خطوتي تليين مختلفتين. تحدث الخطوة الأولى عند 48 درجة مئوية تقريبًا، والثانية عند 101 درجة مئوية. ويؤكد منحنى DSC الأحمر النتائج، حيث يمكن ملاحظة عملية ذوبان واسعة للغاية خلال كامل نطاق درجة حرارة التليين.

ف درجات الحرارة الأقل، تظهر المادة اللاصقة تزججًا واضحًا للغاية في مخطط DSC عند حوالي -36 درجة مئوية، مما يُظهر خطوة السعة الحرارية النموذجية الظاهرة في Tg. يوضح منحنى TMA تغيرًا طفيفًا في معدل تمدد العينة (للميزان المخطط، شاهد شريحة العرض التالية)، مع ملاحظة بداية الظهور عند -36.6 درجة مئوية، باختلاف يبلغ حوالي 0.8 درجات مئوية، وهو أمر عادي بين القياسات من هذين الجهازين (ملاحظة: تم تحديد DSC Tg عند حوالي 10 درجات كلفن في الدقيقة).

الشريحة 19: الاستعمال2ب: TMA-DLTMA         درجة هلام المادة اللاصقة

يظهر نفس منحنى TMA كما ظهر في الشريحة السابقة الآن في الميزان الموسع من -100 إلى 30 درجة مئوية للتأكيد على التزجج، وTg ودرجة التليين. وتصبح المادة اللاصقة مطاطية بعد Tgن لكنها تتدفق بشدة فقط بعد تحلل التركيب الهلامي، نقطة التليين.  ظهر ذلك في الشريحة السابقة فقط كتأثير طفيف بسبب الميزان المختار.

والمادة التي تم تحليلها هنا هي الهلام الذي يمكن عكسها حراريا، حيث تتغير من الحالة السائلة إلى الصلبة عند التبريد ومن الحال الصلبة إلى السائلة عند التسخين، وذلك على عكس المادة المتصلدة بالحرارة والتي تشكل crosslinks لا يمكن عكسها مثل الهلام ثم المعالجات.

تم استخدام التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) للحمل الديناميكي أو DLTMA اختصارًا لتحليل هذه العينة. وباستخدام DLTMA، يتم تطبيق حمل متناوب بكمية ثابتة على مسبار العينة، ومع تلين العينة، تزداد السعة الناتجة.

يوضح المنحنى العلوي نتائج قياس DLTMA. في هذا القياس، تتغير القوة بانتظام بين +0.1 إلى –0.1 نيوتن. ويتم الوصول إلى درجة التليين عندما تصبح السعة الناتجة أكبر بكثير. وبالنسبة إلى المادة اللاصقة المقيسة، فهذا يعني أن النطاق القابل للاستخدام بين 0 و40 درجة مئوية.

الشريحة 20: الاستعمال 3 TMA                        الانتفاش والانحلال

كثيرًا ما تكون الكبسولات والأقراص مغلفة بالبوليمرات والتي تنتفش وتصبح منفذةً في السائل المعدي لإطلاق الأدوية التي يحتوي عليها القرص. ويمكن دراسة سلوك الانتفاش باستخدام ملحق انتفاش TMA كما هو موضح في الركن الأيمن العلوي من شريحة العرض.

وكمثال، تم قياس شريحة من كبسولة مغلفة رخوة معتمدة على الجلاتين في محلول ملحي معدل بحيث تكون قيمة الأس الهيدروجيني به 2.5 تقريبًا وهي مساوية لقيمة الأس الهيدروجيني بالمعدة.

في الوقت 0 تم بدء القياس وتم حقن السائل بالتزامن في ملحق انتفاش TMA المحتوي على غلاف الجيلاتين المأخوذ من الكبسولة. يزداد سمك الغلاف الجيلاتيني بمرور الوقت، بسبب امتصاص السائل. ويصل تمدد الجيلاتين في المحلول الملحي الحمضي إلى أقصى حد بعد حوالي 15 دقيقة، وبعد هذا الوقت يبدأ انحلال الغشاء ويصبح نفاذًا. يمكن ملاحظة لك في منحنى TMA كانخفاض في السمك.

الشريحة 21 : التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA)

تُعد تقنية التحليل الميكانيكي الديناميكي إحدى التقنيات المستخدمة لقياس الخصائص الميكانيكية للمواد اللزجة كدالة للوقت ودرجة الحرارة والتردد عند تشوه المادة تحت ضغط متذبذب دوري.

ويبين الرسم التخطيطي الموجود على اليسار نتائج قياس التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) لأحد البوليمرات شبه البلوري المبرد حتى التجمد. وتوضح المنحنيات معامل التخزين، G الرئيسي، ومعامل الفقد، G الرئيسي المزدوج، وعامل الفقد tan delta كدالة لدرجة الحرارة.

ونلاحظ أن التأثيرات المختلفة الظاهرة في المنحنيات مرقمة بجانب المنحنى وموضحة في الجدول. وهي:

واحد: الاسترخاء الثانوي، ويظهر في شكل قمة في منحنى tan delta وهبوط صغير في منحنى معامل التخزين، G الرئيسي؛

اثنان: التزجج، ويظهر في شكل قمة كبيرة إلى حد معقول في منحنى tan delta وانخفاض في منحنى معامل التخزين، G الرئيسي؛

ثلاثة: البلورة في التبريد للبوليمر. تزداد الصلابة وبالتالي معامل التخزين، G الرئيسي، معًا مع بعض النشاط في tan delta.

أربعة: إعادة البلورة مصحوبة بقمة في tan delta وكثيرًا ما تحدث زيادة في G الرئيسي؛

خامسًا، ذوبان الجزء المتبلور مع انخفاض شديد في كل من معامل التخزين وG الرئيسي ومعامل الفقد، G الرئيسي المزدوج.

الشريحة 22 : التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA)

يسرد لتطبيقات التحليلية الرئيسية للتحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) بالنسبة للمواد الطبية.

بشكل عام، يوفر DMA معلومات حول السلوك اللزج المطاطي للمكونات غير البلورية، مثل التزجج وTg وعمليات تخفيف TG الفرعية.  ويمكن استخدامه لتحديد معامل المرونة ومعامل الفقد وعامل التخميد.

ويوفر DMA معلومات حول سدرجة حرارة التليين، ويستخدم لتقييم قابلية مخاليط البوليمر للامتزاج، والسلوك الميكانيكي الديناميكي لطلاءات البوليمر ومواد الطلاء.

كما يستخدم على نطاق واسع في بيئة الرطوبة الموجهة لدراسة تأثير الرطوبة على خواص المادة.

وتوضح الصورة الموجودة على اليمين عينة مثبتة في أداة التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) وجاهزة للقياس في وضع الانحناء.

الشريحة 23: التطبيق 1: DMA                                                 الذوبان/البلورة

يوفر تحليل DMA معلومات قيمة في أثناء تطوير المواد الجديدة. يوضح المثال الحالي دراسة لتأثير تركيب البوليمر المشترك على خواصه الميكانيكية. توضح هذه الشريحة تحليل DMA للبوليمر المشترك لـ poly--caprolactone وpolytetrahydrofurane أو PCL-PTHF. هذا البوليمر المشترك مرشح للاستخدام بمادة جبيرة تقويم العظام.

وجرت العادة على استخدام جبس باريس لشل حركة الأطراف في أثناء شفاء كسور العظام. وتكمن عيوب جبس باريس بأنه يضعف عندما يبتل، بينما لا تتأثر المادة الجديدة التي خضعت للدراسة. وتشير درجة ذوبانها عند 60 درجة مئوية إلى أنها ساخنة للغاية ويتعذر وضعها على جلد الإنسان. ونظرًا لأنها تتصلب فقط بالتبريد الفائق بشدة، يمكن وضع المادة بأمان على الجلد في درجات حرارة تبلغ 30 درجة مئوية تقريبًا. وبعد تصلبها على الجلد، تظل مستقرة حتى درجة حرارة أعلى. وتعتمد درجة التبريد الفائق على نسبة خلط poly--caprolactone وpolytetrahydrofurane.

توضح النتائج المذكورة بشريحة العرض مستويات الصلابة ودعامة الطرف الناتجة عن نسب الخلط المختلفة حسب القياس في DMA في وضع القص. وتم قياس معامل التخزين لمواد التركيب المختلفة أولاً في أثناء التسخين حتى 80 درجة، مما يوضح حدوث تليين المادة عند ذوبانها في درجة 60 درجة مئوية تقريبًا. وبعد قطاع متساوي الحرارة لفترة قصيرة، تم تبريد المواد حتى -20 درجة لملاحظة درجة التبريد الفائق المطلوبة لبدء البلورة.

ومع زيادة محتوى polytetrahydrofurane، لوحظ تأثيران: انخفاض قيمة معامل البوليمر المشترك في الحالة البلورية، وهو ما يعني أنه قد يكون أكثر مرونة ويصبح التبريد الفائق أكثر وضوحًا، وتتحول بلورة البوليمر المشترك إلى درجات حرارة أقل، ومن ثم يمكن وضعه عى الأطراف المكسورة في درجات الحرارة المحيطة. 

الشريحة 24: التطبيق 2: قياس القص متعدد التردد لـ DMA

توضح هذه الشريحة تحليل DMA قفازات مطاط النتريلات في وضع القص. تُظهر منحنيات DMA نطاق درجة حرارة من -80 درجة إلى 50 درجة مئوية. وفي النهاية الأقل في هذا النطاق، تتميز القفازات بقيمة معام عالية للغاية حوالي 800 ميجا باسكال، حيث تكون المادة في الحالة الزجاجية. وعند -50 درجة مئوية تقريبًا، تبدأ المادة في التليين حتى ينخفض المعامل إلى قيمة تبلغ حوالي 1 ميجاباسكال في درجة حرارة الغرفة، وتكون المادة الآن في الحالة المطاطية وصالحة للاستخدام. تتلين مواد القفاز بمرورها عبر التزجج، بحيث تكون درجة حرارة التزجج هي أدنى درجة حرارة يمكن عندها استخدام القفازات المطاطية. بالنسبة إلى القفازات المطاطية من النتريل، يتم تحديد درجة حرارة التزجج وكذلك المقاومة الكيميائية بواسطة كمية مجموعات أكريلونيتريل في ركيزة مطاط النتريل. وكل من درجة حرارة التزجج والمقاومة الكيميائية سيزداد مع زيادة محتوى الأكريلونيتريل.

تم إجراء قياسات DMA بثلاثة ترددات مختلفة هي 1 و10 و100 هرتز. وتؤكد القياسات المعتمدة على التردد أننا نر بالفعل تزججًا في القياس. ونظرًا لأن التزجج عبارة عن ظاهرة انحلال، سيُظهر قيمًا معتمدة على التردد لكل من G الرئيسي وG الرئيسي المزدوج وtan delta في أثناء التحول.

الشريحة 25: ملخص

يعرض الجدول ملخصًا لأهم الأحداث الحرارية التي تميز المواد الطبية وكذلك التقنيات الموصى بها لدراسة هذه التأثيرات. حيث يعني المربع ذو اللون الأحمر أن التقنية موصى بها كخيار أول؛ بينما يشير المربع المميز باللون الأزرق إلى أنه يمكن استخدام التقنية أيضًا.

تتمثل أهم الآثار التي يمكن تحليلها بواسطة كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي DSC في درجة الذوبان ونطاق الذوبان وسلوك الذوبان.

كما يستخدم DSC لتحديد حرارة الانصهار، والنقاء، وتعدد الأشكال، والتزجج، وثبات الأكسدة.

وتتمثل الاستعمالات الرئيسية للتحليل الحراري الوزني (TGA) في التبخر، وسلوك الامتزاز والتبخر، والاستقرار الحراري، وحركية التحلل، وتحليل التركيب.

وعادة ما يستخدم التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) لدراسة تمدد أو انكماش المواد والتزجج ومعامل التمدد الحراري، CTE.

حيث تُعد تقنية التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) هي الطريقة الأكثر حساسية لتحديد خصائص تزجج المواد وسلوك البلورة وتستخدم عادةً لدراسة تأثيرات الرطوبة على المواد، مثل ضمادات الجروح.

الشريحة 26: ملخص

تقدم هذه الشريحة نظرة عامة على نطاقات درجات حرارة أجهزة DSC وTGA وTMA وDMA من شركة METTLER TOLEDO.

يتم إجراء تجارب المسح الضوئي التفاضلي (DSC) بوجه عام في درجات حرارة تتراوح بين سالب مائة وخمسين درجة مئوية وموجب سبعمائة درجة مئوية. كما قد تختلف نطاقات درجات الحرارة في حالة استخدام معدات أو ملحقات خاصة.

عادة ما تبدأ قياسات التحليل الحراري الوزني (TGA) في درجة حرارة الغرفة. بينما تكون أقصى درجة حرارة ممكنة هي ستمائة درجة. وبالنسبة للاستعمالات الطبية، فإن درجة الحرارة التي تصل إلى 1000 درجة تُعد الأكثر أهمية.

يمكن إجراء تجارب التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) في درجات حرارة تتراوح بين -150 درجة مئوية و1600 درجة.

بينما يتم قياس عينات التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) في نطاق يمتد من -150 درجة إلى 600 درجة وغالبًا ما تكون تحت تأثير الرطوبة النسبية حيث يتضمن التطبيق ملامسة الجسم.

الشريحة 27: لمزيد من المعلومات حول المواد الطبية

أخيرًا، أود أن ألفت انتباهكم إلى المعلومات المتعلقة بالاستخدامات الطبية، والتي يمكنكم تنزيلها من الإنترنت. حيث تنشر METTLER TOLEDO مقالات عن التحليل الحراري والاستعمالات في مجالات مختلفة مرتين في السنة في مجلة UserCom، وهي مجلة عملاء METTLER TOLEDO نصف السنوية الفنية الشهيرة. ويمكن تنزيل الإصدارات السابقة كملفات بتنسيق PDF من www.mt.com/ta-usercoms كما هو موضح في الجزء السفلي من الشريحة.

الشريحة 28: لمزيد من المعلومات حول التحليل الحراري

بالإضافة إلى ذلك، يمكنكم تنزيل التفاصيل المتعلقة بالندوات عبر الويب أو كتيبات الاستعمال أو المعلومات ذات الطبيعة الأكثر عمومية من عنوان الإنترنت الوارد في هذه الشريحة، لذا فلتحرصوا دائمًا على البقاء على اطلاع كامل على أحدث مستجدات موضوع التحليل الحراري.

الشريحة 29: شكرًا لكم 

وبهذا أختم عرضي التقديمي حول التحليل الحراري في مجال المواد الطبية. شكرًا جزيلاً لكم على اهتمامكم وانتباهكم.