辐射法制备Fricke凝胶剂量计

李 东　嵇卫星　刘汉洲　闫思齐　文万信（苏州大学 放射医学与防护学院　苏州 215123）



辐射法制备Fricke凝胶剂量计

李 东嵇卫星刘汉洲闫思齐文万信
（苏州大学 放射医学与防护学院苏州 215123）

摘要辐射剂量验证技术是肿瘤放射治疗过程中的关键技术，Fricke凝胶剂量计因其制备简单、组织等效性好正逐步成为研究的热点。本研究采用辐射交联“一步法”制备Fricke凝胶剂量计，利用傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)、X线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)与热重分析仪(Thermo-gravimetric analyser,TGA)等仪器对凝胶样品的化学结构和成分进行了分析，利用分子动力学模拟研究了亚铁离子在凝胶剂量计中的扩散行为，并在医用加速器下对凝胶进行辐照，利用多功能酶标仪测定凝胶的辐射剂量响应。结果表明，辐射法制备的Fricke凝胶剂量计中，聚丙烯酸链可以抑制亚铁离子在凝胶样品中的扩散行为，添加二甲酚橙(Xylenol orange,XO)可以改善Fricke凝胶剂量计的剂量敏感性。

关键词辐射交联，剂量验证，Fricke凝胶剂量计，聚丙烯酸

国家自然科学基金(No.11375125)、中国博士后科学基金(No.2015M571808)、江苏省自然科学基金(No.BK20150310)资助

第一作者：李东，男，1989年出生，2013年毕业于泰山医学院，现为硕士研究生，生物医学工程专业

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.11375125),China Postdoctoral Science Foundation(No.2015M571808),Natural Science

Foundation of Jiangsu Province(No.BK20150310)

First author:LI Dong,male,born in 1989,graduated from Taishan Medical University in 2013,master student,major in biomedical engineering

Fricke gel dosimeter prepared by irradiation induced crosslinking method

LI DongJI WeixingLIU HanzhouYAN SiqiWEN Wanxin
(School of Radiation Medicine and Protection,Medical College of Soochow University,Suzhou 215123,China)

AbstractBackground:Radiotherapy is one of the main methods for treating cancer,and its efficiency depends heavily on accurate dose verification.Fricke gel dosimeters are fabricated from ferrous sulfate and polymer gel upon irradiation,with ferrous as a function of the absorbed radiation dose.Purpose:This study aims to explore the one-step irradiation induced crosslinking method to fabricate the Fricke gel dosimeter with polyacrylic acid as the frame,and study the structure and properties of the Fricke gel.Methods:The chemical structure and stability of gel is measured by Fourier transform infrared spectrometer(FTIR),X-ray diffractometer(XRD),Thermo-gravimetric analyser(TGA)and water absorption analyser.The diffusion behavior of Fe2+in gel is measured by molecular dynamics simulation.And the dose response ability of Fricke gel dosimeter is analyzed by spectrophotometry.Results:Experimental results show that the coordination bonds between the ferrous ions and -COOH groups are proven by FTIR analysis,and the result of molecular dynamics simulation reveals that PAAc(Polyacrylic acid)chains can reduce the diffusion of ferrous ions.Conclusion:The dose response standard curves indicated Fricke gel dosimeter can be applied to dose verification in radiotherapy.In addition,the existence of xylenol orange(XO)can improve dose sensitivity of Fricke gel dosimeter.

Key wordsRadiation crosslinking,Dose verification,Fricke gel dosimeter,Polyacrylic acid

随放射治疗新技术在肿瘤临床治疗上的广泛应用[1-2]，放疗剂量验证技术也面临着全新的挑战，精准辐射剂量验证技术已经成为研究热点和发展趋势。理想的剂量计应该包括高灵敏度、高量化精度、高空间分辨率、良好的组织等效性和廉价易用等特点[3]。目前常见的剂量验证技术主要包括：胶片剂量仪、二维电离室阵列、半导体探测器阵列、三维水箱、凝胶剂量计及蒙特卡罗理论模拟等方法[4-7]。其中三维剂量验证技术因其能够很好地反映出被照射部位的空间剂量分布，满足精准放疗的临床要求，正逐渐成为研究的热点。

Fricke凝胶剂量计因良好的组织等效性和简单的制备过程，在肿瘤放疗过程中具有潜在的应用前景[8]。Fricke凝胶剂量计通常是指在凝胶物质中参杂有亚铁离子的凝胶剂量计。亚铁离子(Fe2+)在辐射作用下被定量地氧化为铁离子(Fe3+)，颜色的变化将引起特定波长下吸光度的改变，经过校准后，即可由吸光度的变化值确定凝胶的吸收剂量[9]。Fricke凝胶剂量计最大的缺点在于亚铁离子的氧化和扩散引起信号不稳定，进而引起剂量测试的不准确[10]。早期的研究中，琼脂糖是Fricke凝胶剂量计的主要组成物质，随着研究的深入，逐渐被明胶代替[11]。明胶可以在更低的温度下溶解于水中，也可以增加凝胶中氧气的含量，提高凝胶的射线的敏感性。此外，明胶中三价铁离子的扩散行为低于琼脂糖[12]。而高分子聚合物具有多种多样的化学结构和功能基团，可以满足Fricke凝胶剂量材料稳定性和组织等效性要求，其中聚乙烯醇因其优异的生物相容性和组织等效性被广泛研究。此外，研究发现，Fricke凝胶剂量计中引入螯合剂，将会降低亚铁离子的扩散，提高剂量验证精确度。

本文以丙烯酸为聚合交联单体，通过新型的辐射“一步法”制备Fricke凝胶剂量计，将羧酸基团和二甲酚橙引入到剂量计中，以降低亚铁离子的扩散，同时提高剂量计在低剂量区的敏感性。此外，实验对样品的吸水性、保水性、凝胶含量以及凝胶结构组成进行了分析测试，利用分子动力学方法模拟了Fe2+在凝胶中的扩散行为，并利用光学方法对其进行检测。

1　实验材料与方法

1.1主要试剂

二甲酚橙(Xylenol orange,XO)，上海强顺化学试剂有限公司，AR；七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)国药集团化学试剂有限公司，AR；丙烯酸，国药集团化学试剂有限公司，AR；异丙醇，江苏强盛功能化学股份有限公司，AR；无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司，AR。

1.2实验步骤

1.2.1Fricke凝胶的制备

异丙醇与高纯水混合均匀后（醇水比：1:9(V/V)），将一定比例的丙烯酸、硫酸亚铁和二甲酚橙依次溶解到醇水溶液中，然后加入到自制的辐照管中，通氮气30 min，除去体系中的氧气。除氧环节结束后，将样品密封送至苏州大学辐照技术研究所，利用60Co γ射线按照设定的剂量进行辐照，辐照剂量率为45 Gy·min-1。

1.2.2凝胶含量的测定

将辐照后的样品置于索氏提取器中，以高纯水为溶剂进行萃取，以去除样品中的剩余单体、聚合物和未反应的离子[13]。然后取出样品，置于真空干燥箱中干燥，每隔12 h称重，直至质量变化小于0.001g，记录数据，依据式(1)计算凝胶含量(GC)：

式中：md指经洗涤、干燥后样品的质量；mt为辐照后样品直接干燥的质量。

1.2.3结构及性能表征

傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)：实验采用美国Thermo Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪，测试得到该样品的红外光谱图，扫描范围为4 000-400 cm-1。

X线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)：采用德国BrukerD8 Advance X射线衍射仪，对真空干燥后的粉末进行X射线衍射测试。X射线管电压为40kV，管电流为40 mA，步长0.02o扫描范围(2θ)为3o-80o，曝光时间0.5 s。

热重分析仪(Thermo-gravimetric analyser,TGA)：使用德国Netzsch STA449-F3型同步热分析仪来研究Fricke凝胶的热稳定性，实验的升温速率为10 ºC·min-1，测量温度范围为30-700 ºC，体系采用N2作为吹扫气体和保护气体。

1.2.4离子扩散特性的分子动力学模拟

本实验采用的分子模拟软件是美国Accelrys公司的Materials Studio 7.0版本。运用Materials Studio 7.0程序包中的Forcite模块，构建了聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)模型（三条PVA 链，0.005mol·L-1Fe2+，90%H2O）和聚丙烯酸(Polyacrylic acid,PAAc)模型（三条PAAc链，0.005mol·L-1Fe2+，90%H2O）。我们选取具有普适性的Universal力场和热力学平衡力场，忽略聚合链的旋转及伸缩等运动，将每两条链中心之间的长度定义为“距离”，整个模拟过程就是在研究各聚合链之间“距离”的变化情况。为了定量衡量二者的变化，我们定义了如下的靠近因子(Intimate Factor,IF)来进行比较：

式中：l0和s0为初始时刻体系中三个质点围成的三角形的周长及面积；l及s则为任意时刻二者周长及面积的大小。

1.2.5剂量响应行为

将辐照反应容器替换成康宁24孔细胞培养板，使用60Co γ源照射剂量为80 kGy。将制备好的凝胶样品用蒸馏水多次浸泡和清洗以除去残留的丙烯酸和异丙醇，然后利用一台6 MV西门子Primus加速器（苏州大学附属第一医院放疗科）对样品进行标定实验，剂量率为2 Gy·min-1，5份样品的受照剂量分别为0 Gy、5 Gy、10 Gy、30 Gy、50 Gy。然后用多功能酶标仪测量受照剂量为0 Gy和50 Gy的样品在400-700 nm之间的吸光度，依据结果绘制吸收光谱图。选择吸光度差别最大的波长作为λ，并测量在此λ处5份样品的吸光度，依据结果绘制标准曲线，从而得到Fricke凝胶剂量计在临床放疗剂量范围内的剂量响应关系。

2　结果与分析

2.1凝胶含量测定结果

不同反应条件下的样品凝胶含量的百分数如图1所示。图1(a)为丙烯酸浓度20%、受照剂量为50kGy的条件下凝胶含量与Fe2+浓度之间的关系，由图1(a)可见，随着体系中亚铁离子浓度的增加，所得样品的凝胶含量降低，这是由于亚铁离子具有抑制自由基的聚合反应作用[14]，其中硫酸亚铁铵就是一种常见的阻聚剂。

图1(b)显示了Fe2+浓度为10-3mol·L-1时单体浓度对凝胶含量的影响，可以看出，单体浓度低于10%时，样品中凝胶含量曲线增长的速度非常缓慢；当单体浓度在10%-15%时，凝胶含量曲线呈指数增长趋势，而单体浓度大于15%时，凝胶含量达到100%。这是由于单体浓度较低时，高分子链段不足以形成三维网状结构的凝胶，同时Fe2+对交联过程也有一定的抑制作用。

由图1(c)可以看出，当吸收剂量位于30-100kGy时，所得样品中的凝胶含量呈现缓慢下降趋势，这是由于在辐照过程中，辐照聚合及交联反应与辐照降解反应存在一定的竞争关系，随着吸收剂量的增加，降解反应增加，因而凝胶含量随着剂量的增加而降低。

图1　不同反应条件下剂量计中的凝胶含量Fig.1　Gel content of Fricke gel dosimeter vs.different reaction condition.

2.2 Fricke凝胶结构及热性能分析

图2(a)为聚丙烯酸水凝胶（曲线A）与Fricke凝胶（曲线B、C）的FTIR光谱图。聚丙烯酸水凝胶和Fricke凝胶的红外图谱中，在1 700 cm-1和1250 cm-1处分别出现了-C=O基团与-C-O基团的特征峰[15-16]，由此说明了-COOH的存在。而Fricke凝胶红外光谱B和C中，都在1 044 cm-1处出现了一个新的特征峰，这表明Fe2+与-COOH之间存在一定的配位作用[17]。

凝胶材料的XRD光谱如图2(b)，结果显示亚铁离子并没有形成晶体结构，因此证明材料中的Fe2+应该是以配位的离子状态存在的。

样品的热稳定性通过TGA测试标准，结果见图2(c)所示，可见，在30-700 ºC之间，样品在热稳定性上表现出了相似的趋势，整个重量减少的过程分为两个阶段，其中聚丙烯酸水凝胶在227.3 ºC开始的降解过程（曲线A）是由凝胶样品的脱水和脱羧反应造成的[18]。第二阶段发生在330-465 ºC之间，这期间主要是残留下的聚合物发生降解与碳化的过程[19]。Fricke凝胶的起始热分解温度相对于纯的聚丙烯酸水凝胶分别降低了9.8 ºC（图2(c),B）和11.4 ºC（图2(c),C），这说明亚铁离子和二甲酚橙的存在对于水凝胶的热性能没有太大影响。

吸水能力是水凝胶的一个重要特性[20]，图2(d)显示了凝胶样品的吸水能力。可以看出，随着时间的增加，凝胶的吸水率也不断上升，并且在30 h之后趋于饱和。同时可以看出，水凝胶的吸水能力可以达到自身重量的60倍以上，并且实验过程中发现，水凝胶在吸水测试之后仍然保持着良好的机械性能，这就意味着Fricke凝胶除了具有良好的组织等效性之外，还具有良好的机械性，可以作为放疗剂量验证材料使用。

图2　Fricke凝胶结构热性能分析及吸水性测试结果(a)傅里叶红外光谱分析，(b)X线衍射分析,(c)热重分析，(d)吸水性Fig.2　The result of TGA and water absorption analysis.(a)FTIR spectra,(b)XRD spectra,(c)TGA spectra of normal gel and Fricke gel,(d)Water absorption of Fricke gel

2.3自氧化与扩散行为

当Fricke凝胶暴露在空气中时，将会吸收空气中的氧气而自动发生氧化反应。图3为4份样品在空气中暴露不同时间之后颜色变化的对比图片。样品A1、A2中的Fe2+的浓度分别为0.001 mol·L-1和0.005mol·L-1，B1、B2中Fe2+浓度相同而二甲酚橙的浓度不同，分别为0.0003mol·L-1与0.0015mol·L-1。其他实验条件与图2相同。比较A1和A2以及B1和B2，可以发现随着Fe2+含量的增加，颜色变化越来越明显，说明提高Fe2+含量有助于提高Fricke凝胶剂量计的灵敏度。

B1、B2是添加了二甲酚橙的Fricke凝胶剂量计样品，比较A2和B1或B2可见，添加二甲酚橙可以使凝胶的颜色变化更加明显。因为Fe2+的自身氧化反应是受Fe3+/Fe2+离子对的氧化还原电势影响的，而添加合适的配体，选择性地同其中一种离子结合，将改变Fe3+/Fe2+离子对的氧化还原电势[21]，同时提高凝胶材料的响应灵敏度。

图3　自氧化条件下凝胶颜色的变化Fig.3　The color of Fricke gel dosimeter with auto-oxidation time.

2.4分子动力学模拟

Fricke凝胶剂量计的分子动力学模拟结果由图4表示，图4(a)结果显示聚丙烯酸(PAAc)链之间的距离呈不同程度地缩短，这就说明经过5×10-9s的运动后，三条支链相互之间都在靠近。而对于PVA来说，除了一条线段保持平稳并略有下降以外，其他两条线段的长度都出现了明显的增大(图4(b))，这说明聚乙烯醇链在整个模拟期间是越来越远的。同时，两组模拟体系中的靠近因子(IF)的变化曲线由图4(c)表示，经计算，我们得到PVA与PAAc支链平均值比值分别为1.14、0.54。由此可以看出，相对于PVA凝胶载体，PAAc链有更容易相互靠拢的倾向，这有助于将整个体系“分割”为多个独立的空间，从而抑制了亚铁离子在凝胶样品中的扩散行为。

图4　分子动力学模拟过程中“距离”与靠近因子的变化曲线Fig.4　Changes of the distance and IF during the molecular dynamics simulation process.

2.5Fricke凝胶剂量计的剂量响应

依据设定好的波长测定两类样品的标准曲线，两类样品中Fe2+的浓度均为5×10-3mol·L-1，结果如图5所示。由图5可以看出，在吸收剂量低于50 Gy的情况下，凝胶剂量计的吸光度与其吸收剂量表现出良好的线性关系，但是斜率较小，不利于剂量的测定。而在添加了浓度为3×10-4mol·L-1的 XO之后标准曲线的斜率显著提高，由0.0016变为0.0192，增大了约12倍，这表明XO的添加可以改善Fricke凝胶的剂量响应关系，也意味着含二甲酚橙的Fricke凝胶具有作为放疗剂量计的潜力。

图5　凝胶剂量响应曲线Fig.5　Dose response curve of Fricke gel dosimeter.

3　结语

采用辐射交联方法可以简单有效地制备纯净、廉价的Fricke凝胶剂量计，照射剂量30 kGy、亚铁离子浓度10-3mol·L-1和丙烯酸单体浓度15%(V/V)为其最佳的制备反应条件。FTIR结果证实该聚合物链上的两种重要的亲水性基团(-OH、CO)均存在；XRD图谱证明在有氧的情况下，材料中的铁离子为晶体材料，是四氧化三铁，其他经过除氧的凝胶样品中，XRD峰中没有出现无机金属峰；TGA测试结果表明，参杂有Fe2+和二甲酚橙的样品热降解曲线同单纯聚丙烯酸凝胶保持一致，但是会略微降低样品的热稳定性；分子动力学模拟结果表明，PAAc链有相互靠拢的倾向，可以抑制亚铁离子在凝胶样品中的扩散行为。

研究还表明，此种Fricke凝胶剂量计的吸光率在临床放疗剂量范围内具有良好的线性响应关系，尤其是添加XO可以改善Fricke凝胶剂量计的剂量敏感性，为其在临床上的实际应用提供了可能。

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收稿日期：2015-11-30，修回日期：2016-01-18

Corresponding author:LIU Hanzhou,E-mail:hzhliu@suda.edu.cn;WEN Wanxin,E-mail:wxwen@suda.edu.cn

通信作者：刘汉洲，E-mail:hzhliu@suda.edu.cn；文万信，E-mail:wxwen@suda.edu.cn

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.030202

中图分类号TL99