圍繞電子氟化液的生物毒性安全研究需求，以開發(fā)無毒環(huán)保新一代高端電子氟化液為目標(biāo)，進而保障其使用過程中對相關(guān)人員和環(huán)境的共同安全，武漢三氟新材料科技有限公司研發(fā)團隊依托華中科技大學(xué)相關(guān)學(xué)院等，從吸入、皮膚接觸、急性眼部、經(jīng)口和慢性毒性等不同角度和接觸方式方法，充分研究了公司所生產(chǎn)的“氟四方”冷卻液在小鼠、家兔等哺乳動物中的毒理學(xué)實驗，探索了不同作用下“氟四方”冷卻液對人體可能造成的損害。實驗結(jié)果顯示，“氟四方”冷卻液沒有導(dǎo)致任何實驗動物損傷以及死亡。通過肉眼觀察、血液指數(shù)檢查和實驗動物病理切片等的顯微鏡觀察，可以得出“氟四方”冷卻液對不同的實驗動物實際無毒的結(jié)論。本研究為“氟四方”冷卻液的應(yīng)用和推廣以及人體健康提供了參考依據(jù)。
相關(guān)研究成果以 “Biosafety assessments of hexafuoropropylene trimer derivative as a fuorinated cooling fuid for electronics” 為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊毒理學(xué)研究Toxicological Research上，原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s43188-024-00234-3（點擊下方閱讀原文即可查看）
【研究背景】
電子氟化液作為一種無色透明、低粘度、不燃且安全性極高的液體，因其出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及良好的材料兼容性，被廣泛應(yīng)用于各種溫控冷卻系統(tǒng)。特別是在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的浸沒式液冷方面，電子氟化液展現(xiàn)出了巨大潛力。通過采用浸沒式冷卻方法，數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的散熱設(shè)計，大幅降低功耗成本，同時提高服務(wù)器密度，減小數(shù)據(jù)中心規(guī)模。作為一家專業(yè)從事含氟新材料開發(fā)與應(yīng)用的高科技企業(yè)，武漢三氟在液冷賽道布局已久，公司“氟四方”冷卻液及其相關(guān)系統(tǒng)解決方案已被成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、儲能消防等多個行業(yè)。
然而，隨著使用量的增加，電子氟化液的毒性安全問題逐漸引起了人們的關(guān)注。對浸沒式系統(tǒng)電子氟化液的毒性安全進行深入研究顯得尤為重要。這不僅可以為相關(guān)行業(yè)的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)，還可為環(huán)境保護和人體健康提供有力保障。
【內(nèi)容概要】
在研究中，我們以“氟四方”冷卻液3F-125為代表，結(jié)合數(shù)據(jù)中心典型應(yīng)用場景，模擬了“氟四方”冷卻液對人體健康的可能影響。在實驗方案中，我們分別用小鼠和家兔建立了“氟四方”冷卻液口服、經(jīng)眼、吸入和經(jīng)皮吸收的體內(nèi)模型，并通過生理監(jiān)測和組織學(xué)評估了急性和慢性毒理學(xué)。通過多次體內(nèi)實驗，“氟四方”冷卻液具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，無眼部、皮膚刺激性，經(jīng)口毒性為實際無毒級別。
圖1.本毒理學(xué)實驗過程
1.急性經(jīng)口毒性試驗
急性經(jīng)口毒性是指一次或在24h內(nèi)多次經(jīng)口給予實驗動物受試物后，動物在短期內(nèi)出現(xiàn)的健康損害效應(yīng)。在實驗觀察期間，我們重點記錄了實驗動物的體重變化、進食和排便情況。如圖2所示，在觀察期間，給予實驗樣本的小鼠行為正常，在外觀、進食、排泄、行為等方面均未見明顯毒性反應(yīng)，可以看出“氟四方”冷卻液對小鼠健康無影響。
圖2.急性經(jīng)口毒性試驗結(jié)果
圖3為實驗動物的血液指標(biāo)測試結(jié)果，可以看到經(jīng)口試驗之后，小鼠的血小板、單核細胞數(shù)量均在正常水平，說明小鼠的肝功能未發(fā)生異常，同時H&E染色保留了細胞的原始形態(tài)結(jié)構(gòu)，小鼠心肌細胞均勻、排列整齊，肝細胞呈放射狀排列，中央靜脈為軸，細胞索結(jié)構(gòu)清晰，脾臟白髓分布在紅髓之間，呈藍點分布，肺組織結(jié)構(gòu)整齊，肺泡上皮細胞形態(tài)均勻，腎小球和腎小管形態(tài)正常，染色均勻，小腸絨毛排列整齊，排列完整。這些觀察結(jié)果表明，“氟四方”冷卻液經(jīng)口實驗對小鼠的主要器官沒有造成形態(tài)學(xué)和功能損傷。
圖3.急性經(jīng)口毒性實驗小鼠血常規(guī)、血液生化指標(biāo)及H&E染色結(jié)果
2.急性吸入毒性試驗
急性吸入毒性是指實驗動物在短時間內(nèi)連續(xù)吸入（24小時內(nèi)）可吸入試驗樣本后的短期健康損害，用于評估呼吸道上的氣體、揮發(fā)性物質(zhì)或氣溶膠、顆粒物和其他化學(xué)物質(zhì)的毒性影響。在實驗期間，我們重點記錄了實驗動物的體重變化和其他可能發(fā)生的毒性反應(yīng)，實驗結(jié)果如圖4所示。在觀察期間，實驗動物在外觀、進食、排泄和行為等方面均沒有出現(xiàn)明顯的毒性反應(yīng)。對小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)及機體、呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、胃腸道系統(tǒng)、泌尿生殖系統(tǒng)的觀察均未見明顯異常，小鼠對外界刺激反應(yīng)明顯。由此可以判斷，“氟四方”冷卻液沒有對小鼠的健康造成損害，毒性為實際無毒。
圖4.急性吸入毒性試驗結(jié)果
3.急性眼部刺激/腐蝕試驗
眼睛刺激和腐蝕是指眼球表面接觸試驗物質(zhì)后可逆性炎癥和不可逆的組織損傷。在大多數(shù)情況下，白兔的眼睛對刺激或腐蝕性物質(zhì)比人類更敏感，所以它們經(jīng)常被用作測試眼睛刺激的實驗動物。眼部損傷主要從三個部位觀察到：角膜、虹膜和結(jié)膜。在實驗過程中，我們首先直接觀察被測動物的眼睛，然后對眼睛組織進行切片和H&E染色，以進一步在顯微鏡下觀察是否有組織損傷，實驗結(jié)果如圖5所示。白兔的眼睛對光線反應(yīng)正常，根據(jù)眼睛刺激反應(yīng)的程度，未清洗后24小時內(nèi)的測試物質(zhì)的眼睛刺激強度幾乎是不刺激的。兔眼的H&E染色的組織病理學(xué)切片如圖所示，顯微鏡下，纖毛突色素上皮和色素上皮排列整齊，無水腫或細胞丟失，角膜、虹膜和視網(wǎng)膜內(nèi)外層完整可見，細胞形態(tài)清晰正常，無炎癥細胞膨脹，說明“氟四方”冷卻液沒有對家兔的眼睛造成損傷，無急性眼部刺激/腐蝕性。
圖5.急性眼部刺激/腐蝕試驗結(jié)果
4.急性皮膚刺激/腐蝕試驗
皮膚的腐蝕和刺激是指將試樣涂在皮膚上后造成的不可逆損傷和可逆的炎癥變化，可根據(jù)實驗動物皮膚損傷的嚴重程度直觀判斷實驗動物皮膚的刺激性。此外，還需觀察所發(fā)生的皮膚損傷是否可逆，觀察期內(nèi)毒性反應(yīng)是否自行恢復(fù)。觀察期間暴露于實驗物質(zhì)的大鼠皮膚的觀察結(jié)果如圖6所示。兩個劑量組大鼠出現(xiàn)輕微皮膚刺激，但均能在短時間內(nèi)恢復(fù)和消失，刺激強度可視為輕度刺激。大鼠背部皮膚的H&E染色組織病理切片如圖6c所示。不同劑量組膠原纖維束卷曲、排列疏松、較厚，細胞總含量不變，實驗組大鼠皮膚組織未見明顯形態(tài)學(xué)異常，顯示“氟四方”冷卻液對大鼠皮膚無明顯損傷。
圖6.急性皮膚刺激/腐蝕試驗結(jié)果
【結(jié)論展望】
綜上所述，本研究根據(jù)應(yīng)用要求，綜合考慮可靠性、靈敏度、成本效益等因素，采用體內(nèi)生物毒性檢測方法。主要以哺乳動物為研究對象，探討“氟四方”冷卻液在不同接觸方式下對人體可能造成的危害，進而為該類“氟四方”冷卻液在不同場景下的實際應(yīng)用奠定安全基礎(chǔ)。采用口、呼吸道、眼和皮膚暴露途徑，對小鼠、大鼠和家兔進行了急性毒性試驗。試驗過程中未造成實驗動物死亡。通過對實驗動物的肉眼觀察、血液指標(biāo)檢查和病理切片的顯微觀察，可以認為“氟四方”冷卻液對上述實驗動物是實際無毒的。本工作為“氟四方”冷卻液的應(yīng)用和推廣過程安全性奠定了基礎(chǔ)，并為保護相關(guān)員工的身心健康提供了參考價值。
作為一家專業(yè)從事含氟新材料開發(fā)與應(yīng)用的高科技企業(yè)，武漢三氟躬身入局液冷行業(yè)，至今已先后建立千噸級電子氟化液產(chǎn)線（已投產(chǎn)）和萬噸級含氟新材料產(chǎn)線（正在建設(shè)）。公司自主研發(fā)的雙相氟化冷卻液3F-50和單相氟化冷卻液3F-125，均具備不燃、絕緣、材料兼容性優(yōu)異、散熱效率高等多種特性，適用于數(shù)據(jù)中心、超算中心、儲能電站、5G基站、電力系統(tǒng)、充電樁、船舶等多個場景。
公司創(chuàng)始人、董事長曹元成教授，入選2023年度全球前2％頂尖科學(xué)家榜單（終身科學(xué)影響力）。2007-2014留學(xué)英國，2014年回國任教，鋰電儲能領(lǐng)域?qū)＜遥?0余年致力于鋰電池儲能系統(tǒng)消防安全與先進材料領(lǐng)域的科學(xué)研究與實踐。他始終聚焦國家和行業(yè)發(fā)展的重大需求，開辟了人工智能輔助材料學(xué)研究的新方向，發(fā)展了高端電子氟化液分子設(shè)計、制備與純化技術(shù)新體系，一系列創(chuàng)新性成果有力推動國家戰(zhàn)略新興材料領(lǐng)域的技術(shù)進步，為我國科技獨立自強做出的貢獻極為突出。