用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件及其制备方法

摘要

本发明涉及一种用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件的制备方法，包括以下步骤：将丙烯酰胺、阴离子单体、聚阳离子基质与光引发剂在水中混合，除去混合液中的氧气，然后进行紫外光照聚合，照射1‑30分钟后得到预聚体；将热释光剂量计置于预聚体表面，继续用紫外光照射，使预聚体聚合完全，形成用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件。本发明还要求保护上述制备方法所制备的用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件。本发明的方法，将机械性能和粘附性能优异的水凝胶与TLD紧密的结合起来，该器件可紧密粘附在皮肤表面，从而实现电离辐射剂量的精确测量。

说明书

技术领域

本发明涉及医用高分子材料与电离辐射测量技术领域，尤其涉及一种用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件及其制备方法。

背景技术

肿瘤严重危害着人类的健康与生存，作为肿瘤治疗的主要手段之一，放射治疗技术的发展对其治疗的精确性提出了越来越高的要求。尤其是对于患有头颈部、胸部肿瘤以及皮肤癌患者，检测其皮肤表面的电离辐射剂量大小有助于确认剂量的实际分布，避免放射治疗剂量过量导致的皮肤炎症与副反应，协助提高放射治疗计划及其质量控制的精度。

热释光剂量计(TLD)是具有晶体结构的固体，因含有杂质，造成晶格缺陷，当价带上的电子获得电离辐射的能量时，将跃迁到导带，如果对TLD加热，会使电子重新回到价带上，并将电离辐射给予的能量以可见光的形式辐射出去，以此达到电离辐射剂量测量的目的。其常用于测量电离辐射累积剂量，具有较高的灵敏度与精度、低光/热衰退、较广的剂量线性响应性范围、以及较小体积等特点，使其在放射诊疗剂量测量领域有着广泛的应用。但目前的TLD在应用时存在以下缺点：由于呼吸导致的人体表面运动以及固有的剂量分布梯度等因素，单个TLD测量的电离辐射剂量准确性较低，无法得到较大范围内的电离辐射剂量分布信息；致密的TLD直接粘贴于弹性、不平整的皮肤表面会导致人体的不适感与皮肤炎症，同时其粘贴的紧密度较低。

水凝胶作为一种高含水量的三维网状结构聚合物材料，其物理化学性质与人体组织有着很高的相似度。由于其良好的生物相容性，目前已被广泛的应用于生物医学材料领域，如水凝胶敷料、组织工程、药物缓释载体等。而基于水凝胶的复合器件，也被视为下一代柔性电子材料以及智能伤口敷料等材料的首选。水凝胶其可实现与人体皮肤表面的贴合，同时不会引起皮肤的不适与炎症。目前尚未出现水凝胶与TLD的复合器件，且普通的水凝胶材料存在机械强度与延展度较低、粘附能力较弱等缺陷，无法作为粘附皮肤与TLD的载体。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件及其制备方法，将机械性能和粘附性能优异的水凝胶与TLD紧密的结合起来，该器件可紧密粘附在皮肤表面，从而实现电离辐射剂量的精确测量。

在一方面，本发明提供了一种用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)将丙烯酰胺(AAm)、阴离子单体、聚阳离子基质与光引发剂在水中混合，除去混合液中的氧气，然后进行紫外光照聚合，照射1-30分钟后得到预聚体；优选地，照射之间为10-15分钟；

(2)将TLD置于预聚体表面，继续用紫外光照射，使预聚体聚合完全，形成用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件。

进一步地，在步骤(1)中，混合液中丙烯酰胺的浓度为0.5-5mol/L，混合液中阴离子单体的浓度为0.1-1mol/L，混合液中聚阳离子基质的浓度为0.1-1mol/L。

优选地，混合液中丙烯酰胺的浓度为2-3mol/L，混合液中阴离子单体的浓度为0.2-0.4mol/L，混合液中聚阳离子基质的浓度为0.2-0.4mol/L。

进一步地，在步骤(1)中，阴离子单体选自丙烯酸(AAc)、甲基丙烯酸、甲基丁烯酸和顺丁烯二酸中的一种或几种。

进一步地，在步骤(1)中，聚阳离子基质选自聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)、聚乙烯亚胺、多聚赖氨酸、聚乙二胺和聚2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯中的一种或几种。

进一步地，在步骤(1)中，阴离子单体为丙烯酸，聚阳离子基质为聚二烯丙基二甲基氯化铵。

进一步地，在步骤(1)中，混合液中光引发剂的浓度为2.3×10^-3-2.3×10^-2mol/L。优选地，混合液中光引发剂的浓度为2.3×10^-3mol/L。

进一步地，在步骤(1)中，光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(Irgacure2959)、2-羟基-2,2-二甲基苯乙酮或2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮。优选地，光引发剂为Irgacure 2959。

进一步地，在步骤(1)中，在超声震荡条件下向混合液中通入氮气以除去其中的氧气。

进一步地，氮气的通入时间为5-60分钟。优选地，通入时间为40-60分钟。

进一步地，在步骤(1)和步骤(2)中，紫外光照的强度为3-20mW/cm²。优选地，紫外光照的强度为8-10mW/cm²。

进一步地，在步骤(2)中，热释光剂量计选自氟化锂热释光剂量计、硼酸锂热释光剂量计、硫酸钙热释光剂量计或氟化钙热释光剂量计。

进一步地，在步骤(2)中，继续光照30-60分钟。优选地，继续光照50-60分钟。

进一步地，在步骤(2)中，TLD的放置个数为1个至多个。当放置多个TLD时，在水凝胶中形成TLD阵列，最终得到水凝胶-TLD阵列复合器件。

本发明以氢键和正负电荷相互作用作为交联点，构筑高延展、高粘附的水凝胶材料，其机械性能和粘附性能优异。该水凝胶材料中丙烯酰胺和阴离子共聚物链段间的氢键作用以及阴离子链段与聚阳离子基质间的正负电荷相互作用，使构成水凝胶的聚合物链段间能够紧密的结合，从而提高了水凝胶的力学性能，使其在拉伸时能够有效的耗散能量从而达到拉伸较长距离不会断裂的目的。

由于水凝胶基质具有极性基团，及正负电荷和氢键等，因此水凝胶与多种材料表面具有优异的粘附性能。同时，水凝胶能够与热释光片形成互穿网络结构，进一步提高两者的粘附性能。在水凝胶预聚合阶段引入用于辐射剂量测量的TLD，聚合形成水凝胶后，TLD被聚合物的三维网络包裹在水凝胶表面。利用本发明的水凝胶载体的高粘附性，可以紧密粘附在皮肤表面，可将皮肤与TLD紧密地结合在一起，同时克服了直接粘附TLD至皮肤的粘附力低、不适感与炎症反应。在另一方面，本发明还提供了一种采用上述制备方法所制备的用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明将机械性能和粘附性能优异的水凝胶与TLD紧密的结合起来，水凝胶材料具有高延展和高粘附性，无毒且生物相容性好，制备方法简单，解决了普通水凝胶延展性差，粘附力低，机械强度差等缺陷。同时该水凝胶复合器件解决TLD通过胶带等方式易引起不适感与皮肤炎症的问题，解决致密TLD等器件无法紧密粘附于皮肤表面的缺陷，保留了TLD的辐射剂量测量性能，能够精确测量人体表面在放射治疗过程中受到的电离辐射照射剂量大小与分布。

本发明设计的水凝胶复合器件将热释光剂量计(TLD)的剂量测量设备紧密地粘附于人体皮肤表面，实现了放疗过程中人体皮肤表面电离辐射剂量的测量。TLD的剂量测量功能得到了良好的保存，水凝胶复合器件依然具有很高的灵敏度与精确度，使得放射治疗过程中皮肤表面剂量的测量更为准确，减小了误差。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明不同AAm浓度、不同阳离子浓度以及不同阴阳离子摩尔比例下的水凝胶拉伸的应力-应变曲线；

图2是本发明水凝胶复合器件的结构示意图和实物图；

图3是本发明水凝胶复合器件在拉伸前后的实物状态照片；

图4是TLD和本发明水凝胶复合器件对电离辐射剂量测量的线性响应度以及在不同剂量率照射下的剂量率；

图5是水凝胶复合器件在不同辐射角度照射下的示意图以及不同辐射角度照射下的测量剂量的能力；

图6是水凝胶-TLD阵列复合器件的结构示意图；

图7是水凝胶-TLD阵列复合器件在不同弯曲程度下照射下的测量剂量的数据图。

附图标记说明：

1-水凝胶；2-TLD。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

将70mmol AAm、12mmolAAc和12mmol PDADMAC混合后溶于30mL去离子水中，然后向混合溶液中加入0.07mmol光引发剂Irgacure 2959，超声振荡并通氮气40分钟以除去溶液中溶解的氧气，然后将混合液密封，置于紫外光源前照射，照射强度为8.5mW/cm²，照射10分钟后迅速将氟化锂热释光剂量计轻轻置于预聚合物表面，使其自然浸润漂浮于表面，继续以相同的光强度照射60分钟后，得到用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件。

实施例2

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAm的用量为40mmol。

实施例3

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAm的用量为50mmol。

实施例4

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAm的用量为60mmol。

实施例5

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAm的用量为80mmol。

实施例6

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAm的用量为90mmol。

实施例7

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAc的用量为2mmol，PDADMAC的用量为2mmol。

实施例8

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAc的用量为7mmol，PDADMAC的用量为7mmol。

实施例9

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAc的用量为17mmol，PDADMAC的用量为17mmol。

实施例10

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAc的用量为22mmol，PDADMAC的用量为22mmol。

实施例11

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAc的用量为2.4mmol，PDADMAC的用量为21.6mmol。

实施例12

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAc的用量为7.2mmol，PDADMAC的用量为16.8mmol。

实施例13

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAc的用量为16.8mmol，PDADMAC的用量为7.2mmol。

实施例14

按照实施例1的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于AAc的用量为21.6mmol，PDADMAC的用量为2.4mmol。图1是以上实施例中，不同AAm浓度、不同阳离子浓度以及不同阴阳离子摩尔比例下的水凝胶拉伸的应力-应变曲线。

图1(a)中PA_xA₁₂D₁₂表示的含义是选择12mmolAAc和12mmol>

图1(b)中PA₇₀A_yD_z表示的含义是选择70mmolAAm，改变AAc和PDADMAC用量所制备的水凝胶复合器件，且AAc和PDADMAC的摩尔比为1:1，图中y的数值分别表示AAc的用量为2mmol、7mmol、12mmol、17mmol、22mmol。从图中可以看出，随着AAc和PDADMAC用量的增加，水凝胶的断裂强度提高，断裂伸长率减小。

图1(c)中PA₇₀A_yD_z表示的含义是选择70mmol>

图2是本发明水凝胶复合器件的结构示意图和实物图，图2(a)中，1代表水凝胶；2代表TLD，从图2(c)中可看出TLD很紧密的结合在水凝胶上。

图3是水凝胶复合器件拉伸400％前后的实物状态图，该器件拉伸4倍情况下TLD仍能紧密结合在水凝胶上。

图4(a)是单纯的TLD和水凝胶复合器件对电离辐射剂量测量的线性响应度，图4(b)是单纯TLD和水凝胶复合器件在不同剂量率照射下的剂量率独立性，图4表明不同剂量率均不会影响二者的累积剂量测量功能，且本发明的水凝胶复合器件测量剂量的能力远高于单纯的TLD。

图5(a)图示了复合器件在不同辐射角度照射下的示意图，夹角分别为30度、60度和90度。图5(b)图示了不同辐射角度照射下单纯TLD和水凝胶复合器件测量剂量的能力，说明二者测量电离辐射都具有角度依赖性，且本发明的水凝胶复合器件测量剂量的能力远高于单纯的TLD。

实施例15

将70mmol AAm、12mmol顺丁烯二酸和12mmol多聚赖氨酸混合后溶于30mL去离子水中，然后向混合溶液中加入0.07mmol光引发剂2-羟基-2,2-二甲基苯乙酮，超声振荡并通氮气60分钟以除去溶液中溶解的氧气，然后将混合液密封，置于紫外光源前照射，照射强度为3mW/cm²，照射30分钟后迅速将硫酸钙热释光剂量计轻轻置于预聚合物表面，使其自然浸润漂浮于表面，继续以相同的光强度照射30分钟后，得到用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件。

实施例16

将70mmol AAm、12mmol甲基丁烯酸和12mmol聚2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯混合后溶于30mL去离子水中，然后向混合溶液中加入0.07mmol光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，超声振荡并通氮气10分钟以除去溶液中溶解的氧气，然后将混合液密封，置于紫外光源前照射，照射强度为20mW/cm²，照射5分钟后迅速将硼酸锂热释光剂量计轻轻置于预聚合物表面，使其自然浸润漂浮于表面，继续以相同的光强度照射40分钟后，得到用于电离辐射剂量测量的水凝胶复合器件。

实施例17

按照实施例1中的方法制备水凝胶复合器件，不同之处在于在与聚合物表面放置九个氟化锂热释光剂量计，形成3×3阵列，聚合后形成水凝胶-TLD阵列复合器件(图6)。

将水凝胶-TLD阵列复合器件处于平面(图7(a))及不同弯曲程度下(图7(b)、图7(c))进行辐射照射，可以看到，处于平面状态下，本发明的水凝胶-TLD阵列复合器件不同位置处的TLD的相对剂量测量值均在260mGy以上，改变弯曲程度，距离光源较远的TLD的相对剂量测量值在260mGy左右，距离光源较近的TLD的相对剂量测量值在300-500mGy之间。以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。