一种三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法

摘要

本发明公开了一种三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法，辐射变色体系和组织等效的凝胶载体体系，丁二炔类化合物制成的囊泡作为辐射变色体系，凝胶载体由组织等效的有机高分子材料制备而成；包括采用注入法或薄膜法制备丁二炔类化合物纳米囊泡和采用化学交联法、复冻法或冷凝法制备辐射变色凝胶剂量计。本发明凝胶各微元会随吸收剂量的不同而发生相应的颜色变化，目视便可判断大致的三维剂量分布；对凝胶进行剂量标定后，扫描测量其吸光度即可确定三维剂量分布；有效克服了现有凝胶剂量计存在的扩散效应、辐射后效应、成型能力差的问题，精确测量具有陡峭剂量分布剂量场三维剂量分布；制备简单、分析方便、灵敏度高，性能稳定，有利于推广使用。

说明书

技术领域

本发明属于高分子辐射化学和核技术的应用领域，尤其涉及一种三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法。

背景技术

凝胶剂量计以凝胶介质作为空间剂量信息的载体，均匀分布辐射敏感的化合物，接受电离辐照时，化合物发生辐射化学反应，生成物的化学产额是吸收剂量的函数。通过测量生成物的化学产额或生成物导致的凝胶物理化学特性变化，即可还原吸收剂量。与其它常规剂量计相比，凝胶剂量计一次就能够测量靶区中任一点的剂量，而不仅仅是面剂量或某点剂量。凝胶剂量计具有较高的空间分辨率、剂量精度和组织等效性，能实现具有陡峭剂量分布剂量场的三维剂量分布测量。

目前的凝胶剂量计，主要分为以下两类：Fricke凝胶剂量计和聚合物凝胶剂量计。Fricke凝胶剂量计是亚铁盐等组分分布在凝胶中构成的固体凝胶剂量计，具有Fricke液体剂量计的优点。问题是接受电离辐射后无机离子Fe²⁺和Fe³⁺仍会继续在凝胶中扩散，致使剂量成像模糊，无法精确测量剂量分布。聚合物凝胶剂量计由丙烯酸或丙烯酰胺类单体均匀分散在凝胶中制备而成，接受剂量后单体发生辐射聚合及交联反应。但是氧效应(淬灭辐照过程中产生的自由基而抑制聚合反应)、辐射后效应导致计量偏差是这类聚合型剂量计无法回避的问题。并且这两类凝胶剂量计成型能力较差，必须用容器维持形态，降低了剂量计的组织等效性，因此现有的凝胶剂量计系统不能很好的满足放射医疗、科学实验和辐射加工过程中三维剂量分布测量的要求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法，旨在解决现有凝胶剂量计存在的扩散效应、辐射后效应、成型能力差等的不足，无法精确测量具有陡峭剂量分布剂量场三维剂量分布的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法，该三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法包括辐射变色体系和组织等效的凝胶载体体系，丁二炔类化合物制成的囊泡作为辐射变色体系，凝胶载体由组织等效的有机高分子材料制备而成；具体包括以下步骤：

步骤一，采用注入法制备丁二炔类化合物纳米囊泡，将丁二炔类化合物溶解在有机溶剂中配制成0.3％～2％的溶液，将上述溶液按照体积比1:4～1:50注入温度高于有机溶剂沸点的去离子水中并高温水浴超声，静置至室温后放入冰箱4℃冷藏6小时以上得到丁二炔类化合物纳米囊泡溶液；

步骤二，采用化学交联法制备辐射变色凝胶剂量计，将丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺(丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺质量比为10:1～20:1)加入丁二炔类化合物囊泡溶液(丙烯酰胺与囊泡溶液质量比为1:10～2:10)，超声溶解后水浴加热至50～60℃，加入过硫酸铵水溶液(催化剂)搅拌混合均匀，保持温度直至丙烯酰胺单体聚合交联完成形成辐射变色凝胶。

进一步，在步骤一中制备丁二炔类化合物纳米囊泡也可以采用薄膜法，具体包括：将丁二炔类化合物溶解在有机溶剂中配制成0.3％～2％的溶液，将上述溶液加入到圆底烧瓶中，采用旋转蒸发的方法蒸干溶剂后，烧瓶底部形成一层均匀透明的薄膜，向烧瓶中加入去离子水(去离子水体积为加入圆底烧瓶中的丁二炔类化合物溶液体积的4～50倍)，50～80℃高温水浴超声30分钟以上得到透明或半透明的乳浊液，待冷却到室温后，将溶液放置在冰箱中4℃冷藏6小时以上得到丁二炔类化合物纳米囊泡溶液。

进一步，在步骤二中，制备辐射变色凝胶剂量计也可以采用复冻法，具体包括：称取一定量的聚乙烯醇置于容器中，加入适量的水，搅拌加热至90℃溶解聚乙烯醇配制成质量分数为15％～20％的聚乙烯醇水溶液，于60℃下静置1小时以除去气泡；将聚乙烯醇水溶液与丁二炔类化合物囊泡溶液按体积比1:1～2:1混合均匀后，反复低温冷冻和常温解冻，直至聚乙烯醇分子发生交联形成固相的辐射变色凝胶。

进一步，在步骤二中，制备辐射变色凝胶剂量计也可以采用冷凝法，具体包括：将琼脂糖或明胶加入水中加热至90℃以上使其溶解配置成5％～10％的溶液，与丁二炔类化合物囊泡溶液按体积比1:1～1:2均匀混合，冷却至室温让凝胶凝固形成辐射变色凝胶。

进一步，该三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法制备辐射变色凝胶过程中，通过增加丁二炔类化合物囊泡溶液浓度或加入葡萄糖、蔗糖以提高凝胶对辐照剂量的变色响应灵敏度，或减少丁二炔类化合物囊泡溶液浓度以降低凝胶对辐照剂量的变色响应灵敏度，延长凝胶对辐照剂量的响应区间。

进一步，丁二炔类化合物为10,12-二十五碳二炔酸、10,12-二十三碳二炔酸、10,12-二十五二炔-1-醇、10,12-二十五烷二炔酸甲酯、10,12-二十七碳二炔酸、10,12-二十九碳二炔酸、5,7-十六碳二炔酸、2,4-十五碳二炔酸、2,4-十七碳二炔酸、2,4-十九碳二炔酸、2,4-二十一碳二炔酸中的任意一种。

进一步，有机溶剂为丙酮、乙醇、甲醇、氯仿、乙酸乙酯中的任意一种。

本发明提供的三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法，利用某些丁二炔类化合物的双亲特性(分子链一端亲水，另一端亲油)，将其组装成纳米剂量囊泡以解决丁二炔类化合物与凝胶体系的相容性，成功的将此类变色物质用于三维剂量分布测量。此外，本发明的三维辐射变色凝胶剂量计克服了扩散效应、辐射后效应、成型能力差等现有凝胶剂量计的不足，在放射医疗、科学实验和辐射工业中具有广泛的应用前景。

本发明具有如下优点：

1.本发明所制作的三维辐射变色凝胶剂量计，在2-1000Gy剂量范围内对X射线、γ射线、电子束、质子束等电离辐射具有良好的剂量响应线性，在放射医疗、科学实验和辐射工业中具有广阔的应用前景；

2、本发明所制作的三维辐射变色凝胶剂量计置于辐射场中辐照，凝胶各微元会随吸收剂量的不同而发生相应的颜色变化，目视便可判断大致的三维剂量分布；对凝胶进行剂量标定后，扫描测量其吸光度即可确定三维剂量分布；

3.本发明所制作的三维辐射变色凝胶剂量计，有效克服了扩散效应、辐射后效应、成型能力差等现有凝胶剂量计的不足，可精确测量具有陡峭剂量分布剂量场的三维剂量分布；

4.本发明具有制备简单、分析方便、灵敏度高、性能稳定等特点，有利于推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法流程图；

图2是本发明实施例提供的某种配方高灵敏度辐射变色凝胶剂量计在吸收峰(680nm)处的净光密度-剂量响应关系示意图；

图3是本发明实施例提供的某种配方低灵敏度辐射变色凝胶剂量计在吸收峰(680nm)处的净光密度-剂量响应关系示意图；

图4a、图4b分别是本发明实施例提供的圆柱形凝胶剂量计被1cm×1cm方形射野辐照后的顶部视图和剖视图。

图5是本发明实施例提供的三维辐射变色凝胶剂量计辐照后不同时刻测得的单位厚度净光密度示意图；

图6是本发明实施例提供的圆形凝胶片被1cm×1cm方形射野辐照后0.5小时和96小时的径向净光密度分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法包括以下步骤：

S101：采用注入法或薄膜法制备丁二炔类化合物纳米囊泡；

S102：采用化学交联法、复冻法或冷凝法制备辐射变色凝胶剂量计。

在步骤S101中，丁二炔类化合物纳米囊泡的制备方法包括：

采用注入法或薄膜法制备丁二炔类化合物纳米囊泡；

注入法：将丁二炔类化合物溶解在有机溶剂中配制成0.3％～2％的溶液，将上述溶液按照体积比1:4～1:50注入温度高于有机溶剂沸点的去离子水中并高温水浴超声，静置至室温后放入冰箱4℃冷藏6小时以上得到丁二炔类化合物纳米囊泡溶液；

薄膜法：将丁二炔类化合物溶解在有机溶剂中配制成0.3％～2％的溶液，将上述溶液加入到圆底烧瓶中，采用旋转蒸发的方法蒸干溶剂后，烧瓶底部形成一层均匀透明的薄膜，向烧瓶中加入去离子水(去离子水体积为加入圆底烧瓶中的丁二炔类化合物溶液体积的4～50倍)，50～80℃高温水浴超声30分钟以上得到透明或半透明的乳浊液，待冷却到室温后，将溶液放置在冰箱中4℃冷藏6小时以上得到丁二炔类化合物纳米囊泡溶液。

在步骤S102中，采用化学交联法、复冻法或冷凝法制备辐射变色凝胶剂量计包括：

化学交联法：将丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺(丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺质量比为10:1～20:1)加入丁二炔类化合物囊泡溶液(丙烯酰胺与囊泡溶液质量比为1:10～2:10)，超声溶解后水浴加热至50～60℃，加入过硫酸铵水溶液(催化剂)搅拌混合均匀，保持温度直至丙烯酰胺单体聚合交联完成形成辐射变色凝胶；

复冻法：称取一定量的聚乙烯醇置于容器中，加入适量的水，搅拌加热至90℃溶解聚乙烯醇配制成质量分数为15％～20％的聚乙烯醇水溶液，于60℃下静置1小时以除去气泡；将聚乙烯醇水溶液与丁二炔类化合物囊泡溶液按体积比1:1～2:1混合均匀后，反复低温冷冻和常温解冻，直至聚乙烯醇分子发生交联形成固相的辐射变色凝胶；

冷凝法：将琼脂糖或明胶加入水中加热至90℃以上使其溶解配置成5％～10％的溶液，与丁二炔类化合物囊泡溶液按体积比1:1～1:2均匀混合，冷却至室温让凝胶凝固形成辐射变色凝胶。

在本发明的制备辐射变色凝胶过程中，可通过增加丁二炔类化合物囊泡溶液浓度或加入葡萄糖、蔗糖等以提高凝胶对辐照剂量的变色响应灵敏度，亦可减少丁二炔类化合物囊泡溶液浓度以降低凝胶对辐照剂量的变色响应灵敏度，延长凝胶对辐照剂量的响应区间。

本发明的工作原理：

本发明选用具有双亲分子结构的丁二炔类化合物单体，将其自组装成纳米囊泡反应器后，均匀分散于组织等效的凝胶载体中研制出用于三维剂量分布测量的辐射变色凝胶剂量计，纳米囊泡的设计有效克服了单体分子扩散导致的剂量成像模糊，同时将聚合链增长限制在囊泡内部进行，减少了辐射后效应的影响，本发明制备的凝胶载体具有良好的组织等效性和弹性强度，可以任意塑型和切割，为三维剂量分布测量提供了良好的空间构造，因此，该辐射变色凝胶剂量计弥补了现有凝胶剂量计的不足，为具有陡峭剂量分布剂量场的三维剂量分布测量提供了一种新的方法。

该三维辐射变色凝胶剂量计在2-1000Gy剂量范围内对X射线、γ射线、电子束、质子束等电离辐射具有良好的剂量响应线性，同时克服了扩散效应、辐射后效应、成型能力差等现有凝胶剂量计的不足，在放射医疗、科学实验和辐射工业中具有广泛的应用前景。

本发明的具体步骤为：

本发明的三维辐射变色凝胶剂量计由两个体系构成：辐射变色体系和组织等效的凝胶载体体系，丁二炔类化合物制成的囊泡作为辐射变色体系，凝胶载体由组织等效的有机高分子材料制备而成，该三维辐射变色凝胶剂量计的制备方法包括以下步骤：

1、丁二炔类化合物纳米囊泡的制备：

可分别采用注入法和薄膜法制备丁二炔类化合物纳米囊泡，具体步骤如下：

注入法：将丁二炔类化合物溶解在有机溶剂中配制成0.3％～2％的溶液，将上述溶液按照体积比1:4～1:50注入温度高于有机溶剂沸点的去离子水中并高温水浴超声，静置至室温后放入冰箱4℃冷藏6小时以上得到丁二炔类化合物纳米囊泡溶液；

薄膜法：将丁二炔类化合物溶解在有机溶剂中配制成0.3％～2％的溶液，将上述溶液加入到圆底烧瓶中，采用旋转蒸发的方法蒸干溶剂后，烧瓶底部形成一层均匀透明的薄膜，向烧瓶中加入去离子水(去离子水体积为加入圆底烧瓶中的丁二炔类化合物溶液体积的4～50倍)，50～80℃高温水浴超声30分钟以上得到透明或半透明的乳浊液，待冷却到室温后，将溶液放置在冰箱中4℃冷藏6小时以上得到丁二炔类化合物纳米囊泡溶液。

2、辐射变色凝胶制备：

多种聚合物可以制作成凝胶载体，依据聚合物类型主要有三种制备方法：

化学交联法：将丙烯酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺(丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺质量比为10:1～20:1)加入丁二炔类化合物囊泡溶液(丙烯酰胺与囊泡溶液质量比为1:10～2:10)，超声溶解后水浴加热至50～60℃，加入过硫酸铵水溶液(催化剂)搅拌混合均匀，保持温度直至丙烯酰胺单体聚合交联完成形成辐射变色凝胶；

复冻法：称取一定量的聚乙烯醇置于容器中，加入适量的水，搅拌加热至90℃溶解聚乙烯醇配制成质量分数为15％～20％的聚乙烯醇水溶液，于60℃下静置1小时以除去气泡；将聚乙烯醇水溶液与丁二炔类化合物囊泡溶液按体积比1:1～2:1混合均匀后，反复低温冷冻和常温解冻，直至聚乙烯醇分子发生交联形成固相的辐射变色凝胶；

冷凝法：将琼脂糖或明胶加入水中加热至90℃以上使其溶解配置成5％～10％的溶液，与丁二炔类化合物囊泡溶液按体积比1:1～1:2均匀混合，冷却至室温让凝胶凝固形成辐射变色凝胶。

3、三维辐射变色凝胶剂量计灵敏度调节：

采用上述方法制备辐射变色凝胶过程中，可通过增加丁二炔类化合物囊泡溶液浓度或加入葡萄糖、蔗糖等以提高凝胶对辐照剂量的变色响应灵敏度，亦可减少丁二炔类化合物囊泡溶液浓度以降低凝胶对辐照剂量的变色响应灵敏度，延长凝胶对辐照剂量的响应区间。

其中，丁二炔类化合物为10,12-二十五碳二炔酸(10,12-Pentacosadiynoicacid)、10,12-二十三碳二炔酸(10,12-Tricosadiynoicacid)、10,12-二十五二炔-1-醇(10,12-Pentacosadiyn-1-ol)、10,12-二十五烷二炔酸甲酯(Methyl-10,12-pentacosadiynoate)、10,12-二十七碳二炔酸(10,12-heptacosadiynoic acid)、10,12-二十九碳二炔酸(10,12-nonacosadiynoic acid)、5,7-十六碳二炔酸(5,7-hexadecadiynoic acid)、2,4-十五碳二炔酸(2,4-pentadecadiynoic acid)、2,4-十七碳二炔酸(2,4-heptadecadiynoic acid)、2,4-十九碳二炔酸(2,4-nonadecadiynoic acid)、2,4-二十一碳二炔酸(2,4-heneicosadiynoic acid)中的任一种；

有机溶剂为丙酮、乙醇、甲醇、氯仿、乙酸乙酯中的任一种。

本发明的具体实施例：

实施例1：

将80mg10,12-二十五碳二炔酸溶解在10ml丙酮中形成溶液，将上述溶液注入80ml温度为70℃的去离子水中并保持温度水浴超声，静置至室温后放入冰箱4℃冷藏6小时以上得到10,12-二十五碳二炔酸纳米囊泡溶液；

将12g丙烯酰胺、0.8gN,N-亚甲基双丙烯酰胺和0.8g葡萄糖加入80ml10,12-二十五碳二炔酸囊泡溶液，超声溶解后水浴加热至50～60℃，加入12ml过硫酸铵水溶液(浓度0.01g/ml)搅拌混合均匀，保持温度直至丙烯酰胺单体聚合交联完成形成高灵敏度辐射变色凝胶剂量计。

实施例2：

将80mg10,12-二十三碳二炔酸溶解在10ml乙醇中形成溶液，将上述溶液加入到圆底烧瓶中，采用旋转蒸发的方法蒸干溶剂后，烧瓶底部形成一层均匀透明的薄膜，向烧瓶中加入40ml去离子水，高温(80℃)水浴超声后得到透明或半透明的乳浊液，待冷却到室温后，将溶液放置在冰箱中4℃冷藏6小时以上得到10,12-二十三碳二炔酸纳米囊泡溶液；

将3.2g琼脂糖加入40ml水中加热至90℃以上使琼脂糖完全溶解，将琼脂糖水溶液与丁二炔类化合物囊泡溶液按体积比1:1均匀混合，冷却至室温让凝胶凝固形成高灵敏度辐射变色凝胶剂量计。

实施例3：

将13mg10,12-二十五碳二炔酸溶解在2ml甲醇中形成溶液，将上述溶液注入80ml温度为70℃的去离子水中并保持温度水浴超声，静置至室温后放入冰箱4℃冷藏6小时以上得到10,12-二十五碳二炔酸纳米囊泡溶液；

将12g丙烯酰胺和0.8gN,N-亚甲基双丙烯酰胺加入80ml10,12-二十五碳二炔酸囊泡溶液，超声溶解后水浴加热至50～60℃，加入12ml过硫酸铵水溶液(浓度0.01g/ml)搅拌混合均匀，保持温度直至丙烯酰胺单体聚合交联完成形成低灵敏度辐射变色凝胶剂量计。

实施例4：

将28mg10,12-二十五二炔-1-醇溶解在4ml氯仿中形成溶液，将上述溶液加入到圆底烧瓶中，采用旋转蒸发的方法蒸干溶剂后，烧瓶底部形成一层均匀透明的薄膜，向烧瓶中加入80ml去离子水，高温(80℃)水浴超声后得到透明或半透明的乳浊液，待冷却到室温后，将溶液放置在冰箱中4℃冷藏6小时以上得到10,12-二十五二炔-1-醇纳米囊泡溶液；

将8.8g明胶加入80ml水中加热至90℃以上使明胶完全溶解，将明胶水溶液与丁二炔类化合物囊泡溶液按体积比1:1均匀混合，冷却至室温让凝胶凝固形成低灵敏度辐射变色凝胶剂量计。

实施例5：

将21mg10,12-二十七碳二炔酸溶解在3ml乙醇中形成溶液，将上述溶液注入40ml温度为70℃的去离子水中并保持温度水浴超声，静置至室温后放入冰箱4℃冷藏6小时以上得到10,12-二十七碳二炔酸纳米囊泡溶液；

称取12g聚乙烯醇置于烧瓶中，加入80ml去离子水，搅拌加热至90℃溶解聚乙烯醇，获得清亮透明的水溶液，于60℃下静置1小时以除去气泡，将80ml聚乙烯醇水溶液与40ml10,12-二十七碳二炔酸囊泡溶液混合均匀后，于-20℃冷冻20小时，随后在常温下放置4小时解冻为1个循环，共进行4个循环，聚乙烯醇分子发生交联形成机械性能良好的辐射变色凝胶剂量计。

本发明具有如下优点：

1.本发明所制作的三维辐射变色凝胶剂量计，在2-1000Gy剂量范围内对X射线、γ射线、电子束、质子束等电离辐射具有良好的剂量响应线性，在放射医疗、科学实验和辐射工业中具有广阔的应用前景。

2、本发明所制作的三维辐射变色凝胶剂量计置于辐射场中辐照，凝胶各微元会随吸收剂量的不同而发生相应的颜色变化，目视便可判断大致的三维剂量分布。对凝胶进行剂量标定后，扫描测量其吸光度即可确定三维剂量分布。

3.本发明所制作的三维辐射变色凝胶剂量计，有效克服了扩散效应、辐射后效应、成型能力差等现有凝胶剂量计的不足，可精确测量具有陡峭剂量分布剂量场的三维剂量分布。

4.本发明具有制备简单、分析方便、灵敏度高、性能稳定等特点，有利于推广使用。

通过以下的性能测试对本发明的应用效果做进一步的说明：

1.本发明所制作的三维辐射变色凝胶剂量计，在2-1000Gy剂量范围内对X射线、γ射线、电子束、质子束等电离辐射具有良好的剂量响应线性。

2.如附图2所示，结果表明辐射剂量在2～100Gy范围内，高灵敏度辐射变色凝胶吸收峰的净光密度与吸收剂量成线性关系。

3.如附图3所示，结果表明辐射剂量在50～1000Gy范围内，低灵敏度辐射变色凝胶吸收峰的净光密度与吸收剂量成线性关系。

4.附图4a、图4b分别是圆柱形凝胶剂量计被1cm×1cm方形射野辐照后的顶部视图和剖视图，由剖视图可见方形射束在凝胶内部形成了清晰的径迹，表明该辐射变色凝胶剂量计可测量具有陡峭剂量分布剂量场的三维剂量分布。

5.三维辐射变色凝胶剂量计辐照后不同时刻测得的单位厚度净光密度如图5所示；辐照后2小时内凝胶净光密度增加了1.77％，辐照后2小时至48小时凝胶净光密度增加了1.08％，48小时至168小时内未见光密度增加，凝胶响应趋于稳定；测试结果表明该辐射变色凝胶剂量计的辐射后效应远低于聚合物凝胶剂量计。

6.圆形凝胶片被1cm×1cm方形射野辐照后0.5小时和96小时的径向净光密度分布如图6所示。凝胶被辐照区域的光密度因辐射后效应略有增加，但光密度分布曲线的半高宽位置(±5.6mm)未发生横向移动，表明辐射变色凝胶在高剂量梯度区域也未见扩散效应，剂量分布成像清晰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。