CN105440188A - 一种新型三维凝胶剂量计材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型三维凝胶剂量计材料及其制备方法，该新型三维凝胶剂量计材料是根据均匀分散在水凝胶中的量子点发光强度来计算剂量信息的，避免了Fricke凝胶剂量计的离子浓度扩散问题；该新型三维凝胶剂量计材料合成所需原料简单，且无需隔绝环境中的氧气，无需高温，易于合成，方便大量生产；合成过程中不会生成有害气体，对环境危害小；所得材料物理和化学稳定性好，不易被氧化，易于存储，方便多次使用。该新型三维凝胶剂量计材料的制备方法采用辐射交联法，操作简单易行，制备周期短，利用该方法制备的新型三维剂量计材料纯净不含杂质。

Description

一种新型三维凝胶剂量计材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及医用高分子材料技术领域，尤其涉及一种新型三维凝胶剂量计材料及其制备方法。
背景技术
放射治疗技术作为肿瘤治疗的主要手段之一，近年来一直朝着精确放疗的方向在发展，国际辐射单位和测量委员会(ICRU)第24号报告和第42号报告中阐述了放射治疗剂量的准确度，必须在5％以内，才能实现有效的治疗，同时减少并发症的发生，实现照射的利益最大化。要实现上述目标，放疗计划需通过质量保证(QA)措施后方可进行。实施剂量验证，并未有统一的标准流程。先后出现了电离室法、半导体法、电子射野影像装置(EPID)和凝胶剂量计等。
凝胶剂量计是一种新型的三维剂量计，凝胶作为空间结构的支撑体，辐射敏感物质均匀分布于凝胶中。整个体系密度与人体类似，不用再进行密度校正。因此，凝胶剂量计可用于人体三维剂量分布的测量，同时空间分辨率高，剂量精准，组织等效性好。
凝胶剂量计最早是1984年由Gore等人提出的，发展至今已研究出一系列的凝胶剂量计。凝胶剂量计组织等效性好，能实现检测的空间分辨率≤1mm3，完成整个检测时间≤1小时，精密度为1～2％，剂量准确度2～4％。按光衰减物理机制可分为光吸收型和光散射型两种。
光吸收型比较典型的是Fricke凝胶，依据的原理是Fe2+在受照射后被定量氧化为Fe3+，发生颜色的变化从而引起剂量剂光吸收谱线产生偏移。方法步骤：琼脂糖、明胶等加入到75％的去离子水中，磁力搅拌、加热致其充分溶解；将硫酸亚铁铵、硫酸加入25％的去离子水中，磁力搅拌、加热，与先前配置的凝胶溶液混合，保持短时的高温，磁力搅拌保证两种溶液混合均匀；停止加热使凝胶凝固。
光散射型主要依靠辐射聚合反应，剂量计经照射之后单体发生聚合反应，生成大分子后，其散射指数发生改变，进而推算出剂量分布信息。方法步骤：去离子水89％、明胶5％、丙烯酰胺3％、交联剂3％、除氧剂10mmol/L。将明胶加入去离子水，用磁力搅拌器加热(43摄氏度)并搅拌致其完全溶解；保持温度，加入交联剂，磁力搅拌15分钟；保持温度，加入丙烯酰胺搅拌至透明；保持温度，加入除氧剂，磁力搅拌25分钟；将制好的样本装入模具，密封备用。
现有的凝胶剂量计如Fricke凝胶剂量计，Fe2+很容易被氧气氧化为Fe3+，制备和存贮条件苛刻，不宜长期保存，剂量信息载体Fe3+极易扩散，梯度信息会在短时间内丢失，时间与温度稳定性较差，不宜长期保存，使用成本过高，只供一次性使用；聚合物凝胶剂量计依靠散射效应进行检测，同时散射信号也会对探测器阵列的相邻单元造成干扰，使剂量检测的精度和准确度下降；有些凝胶如PAGAT凝胶，在温度较高时容易变形，也会丢失剂量的空间分布信息。
有鉴于上述的内容，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型三维凝胶剂量计材料及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种易储存，不易被氧化，能够节约成本，可重复使用，稳定性好，还能获取准确的剂量空间分布信息的新型三维凝胶剂量计材料及其制备方法。
本发明提出的一种新型三维凝胶剂量计材料，其特征在于：包括水凝胶，所述水凝胶中掺有量子点，所述水凝胶的单体为丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸酯这三者中的一种或几种，所述量子点为镉系化合物半导体纳米粒子。
本发明提出的一种新型三维凝胶剂量计材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)在辐照管中加入一定体积比的去离子水和异丙醇，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)在“1#”溶液中加入一定量的水凝胶单体，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)在“2#”溶液中加入一定量的氯化镉、硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)在“3#”溶液通入氮气排氧，密封辐照管，然后通过钴源或电子束辐照，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
进一步的，步骤(1)中所述的“1#”溶液中异丙醇与去离子水体积比的范围是1:10～1:100。
进一步的，步骤(2)中所述水凝胶单体为丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸酯这三者中的一种或几种。
进一步的，步骤(3)中所述的“3#”溶液中氯化镉的浓度为0.0001mol/L-0.01mol/L。
进一步的，步骤(3)中所述的“3#”溶液中氯化镉与硫代硫酸钠的浓度比范围是1:1～1:2.5。
进一步的，步骤(4)中所述辐照的剂量为20kGy-100kGy。
进一步的，步骤(5)中所述通氮气排氧的时间为20min。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明提出的一种新型三维凝胶剂量计材料是根据均匀分散在水凝胶中的量子点发光强度来计算剂量信息的，避免了Fricke凝胶剂量计的离子浓度扩散问题；该新型三维凝胶剂量计材料合成所需原料简单，且无需隔绝环境中的氧气，无需高温，易于合成，方便大量生产；合成过程中不会生成有害气体，对环境危害小；所得材料物理和化学稳定性好，不易被氧化，易于存储，方便多次使用。
本发明采用辐射交联的制备方法，操作简单易行，制备周期短，利用该方法制备的新型三维剂量计材料纯净不含杂质。
通过本发明方法合成一种新型三维凝胶剂量计材料。在高分子水凝胶中掺入量子点(quantumdots)又称半导体纳米粒子(semiconductornanoparticles)，具有量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应以及很好的光稳定性。激发产生的荧光强烈依赖于量子点的尺寸，可广泛应用于细胞标记、活体成像和临床诊断。研究发现II-VI族元素的量子点是水溶性的，产率高，含有镉(元素符号：Cd)的量子点有较强的发光强度。CdX，X为S、Se、Te等，量子点由于尺寸的不同会呈现出不同颜色。本发明合成的新型三维凝胶剂量计材料中的量子点受到不同强度的辐射照射后会激发产生不同强度的荧光，通过CCD相机检测所产生的荧光信号，重建剂量的三维分布信息。
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详细说明如后。
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。
实施例一：
步骤(1)、在辐照管中加入5mL的异丙醇和65mL的去离子水(体积比为1：13)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.0001mol氯化镉、0.0002mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射20kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例二：
步骤(1)、在辐照管中加入5mL的异丙醇和65mL的去离子水(体积比为1：13)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.0001mol氯化镉、0.0002mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射30kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例三：
步骤(1)、在辐照管中加入5mL的异丙醇和65mL的去离子水(体积比为1：13)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.0001mol氯化镉、0.0002mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射100kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例一、二、三均以丙烯酸作为凝胶单体，以氯化镉和硫代硫酸钠作为量子点合成原料，并添加异丙醇作为还原剂，采用剂量：20kGy、30kGy、100kGy合成新型三维剂量凝胶材料。
实施例四：
步骤(1)、在辐照管中加入7mL的异丙醇和70mL的去离子水(体积比为1：10)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸、5g丙烯酰胺，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.0001mol氯化镉、0.0002mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射20kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例五：
步骤(1)、在辐照管中加入0.7mL的异丙醇和70mL的去离子水(体积比为1：100)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸、5g丙烯酰胺，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.0001mol氯化镉、0.0002mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射20kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例一～三，“1#”溶液中异丙醇与去离子水体积为1：13；实施例四～五，“1#”溶液中异丙醇与去离子水体积比分别为：1：10和1：100。
实施例六：
步骤(1)、在辐照管中加入5mL的异丙醇和65mL的去离子水(体积比为1：13)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸、5g丙烯酰胺，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.00001mol氯化镉、0.00002mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射30kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例七：
步骤(1)、在辐照管中加入5mL的异丙醇和65mL的去离子水(体积比为1：13)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸、5g丙烯酰胺，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.001mol氯化镉、0.002mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射30kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例一～五，“2#”溶液中均加入0.0001mol氯化镉、0.0002mol硫代硫酸钠；实施例六，“2#”溶液中加入0.00001mol氯化镉、0.00002mol硫代硫酸钠；实施例七中，“2#”溶液中加入0.001mol氯化镉、0.002mol硫代硫酸钠。
实施例八：
步骤(1)、在辐照管中加入5mL的异丙醇和65mL的去离子水(体积比为1：13)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸、5g丙烯酰胺，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.0001mol氯化镉、0.0001mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射30kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例九：
步骤(1)、在辐照管中加入5mL的异丙醇和65mL的去离子水(体积比为1：13)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸、5g丙烯酰胺，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.0001mol氯化镉、0.00025mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射30kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例一～七，“3#”溶液中氯化镉与硫代硫酸钠浓度之比均是1：2；实施例八，“3#”溶液中氯化镉与硫代硫酸钠浓度之比是1：1；实施例九，“3#”溶液中氯化镉与硫代硫酸钠浓度之比是1：2.5。
实施例十：
步骤(1)、在辐照管中加入5mL的异丙醇和65mL的去离子水(体积比为1：13)，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)、在“1#”溶液中加入30mL的丙烯酸、5g丙烯酰胺、2g丙烯酸酯，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)、在“2#”溶液中加入0.0001mol氯化镉、0.0002mol硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)、在“3#”溶液中通入氮气20min除去体系中的氧，密封辐照管，然后通过钴源照射30kGy，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)、对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
实施例一～三，以丙烯酸作为单一的凝胶单体；实施例四～九，以丙烯酸和丙烯酰胺共同作为凝胶单体；实施例十，以丙烯酸、丙烯酰胺及丙烯酸酯共同作为凝胶单体。
本发明采用辐射交联的方法，操作简单易行，制备周期短，利用该方法制备的新型三维剂量计材料纯净不含杂质。
通过本发明方法合成一种新型三维凝胶剂量计材料。在高分子水凝胶中掺入量子点(quantumdots)又称半导体纳米粒子(semiconductornanoparticles)，具有量子尺寸效应、表面效应、介电限域效应以及很好的光稳定性。激发产生的荧光强烈依赖于量子点的尺寸，可广泛应用于细胞标记、活体成像和临床诊断。研究发现II-VI族元素的量子点是水溶性的，产率高，含有镉(元素符号：Cd)的量子点有较强的发光强度。CdX，X为S、Se、Te等，量子点由于尺寸的不同会呈现出不同颜色。本发明合成的新型三维凝胶剂量计材料中的量子点受到不同强度的辐射照射后会激发产生不同强度的荧光，通过CCD相机检测所产生的荧光信号，重建剂量的三维分布信息。
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。

Claims (8)

1.一种新型三维凝胶剂量计材料，其特征在于：包括水凝胶，所述水凝胶中掺有量子点，所述水凝胶的单体为丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸酯这三者中的一种或几种，所述量子点为镉系化合物半导体纳米粒子。
2.一种新型三维凝胶剂量计材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)在辐照管中加入一定体积比的去离子水和异丙醇，混合均匀得到“1#”溶液；
步骤(2)在“1#”溶液中加入一定量的水凝胶单体，搅拌均匀得到“2#”溶液；
步骤(3)在“2#”溶液中加入一定量的氯化镉、硫代硫酸钠，搅拌均匀获得“3#”溶液；
步骤(4)在“3#”溶液通入氮气排氧，密封辐照管，然后通过钴源或电子束辐照，得到新型三维剂量凝胶材料样品；
步骤(5)对新型三维剂量凝胶材料样品进行清洗，最终获得纯净的新型三维剂量凝胶材料。
3.根据权利要求2所述的新型三维凝胶剂量计材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的“1#”溶液中异丙醇与去离子水体积比的范围是1:10～1:100。
4.根据权利要求2所述的新型三维凝胶剂量计材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述水凝胶单体为丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸酯这三者中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的新型三维凝胶剂量计材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的“3#”溶液中氯化镉的浓度为0.0001mol/L-0.01mol/L。
6.根据权利要求2所述的新型三维凝胶剂量计材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的“3#”溶液中氯化镉与硫代硫酸钠的浓度比范围是1:1～1:2.5。
7.根据权利要求2所述的新型三维凝胶剂量计材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述辐照的剂量为20kGy-100kGy。
8.根据权利要求2所述的3新型三维凝胶剂量计材料的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述通氮气排氧的时间为20min。
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