用于测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒及其制备方法与流程

本发明涉及生物医用高分子材料与电离辐射测量技术领域，尤其涉及一种用于测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒及其制备方法。

背景技术：

肿瘤严重危害着人类的健康与生存，放射治疗技术利用电离辐射治疗肿瘤。现阶段，放疗技术迅速发展，已经步入精确定位、精确计划和精确治疗的阶段。但由于放疗剂量测量的发展相对落后，造成剂量施放不准，给患者带来严重的不可逆后果，严重影响精准放疗技术的实施。

通常，电离辐射剂量测量采用硅二极管、热释光剂量片、场效应管等。其中，通过测量硅二极管pn结内因电离辐射产生的电子空穴对数，人们能够获取辐射剂量。该材料因实时读出，高位置分辨，高灵敏性，结构简单且皮实可靠和读出系统简单等性质而被最早用于剂量测量。此外，热释光剂量计将吸收的电离辐射剂量，在高温下以光的形式输出并读取，从而得到电离辐射剂量值。场效应管是通过测量栅极的阈电压变化或栅极上的累积电荷来测量辐射量的一种半导体型剂量计，其可用于累积剂量和剂量率的测量，具有精度高的优点。

除了这些半导体材料以外，三维水箱是目前放疗剂量测量和验证的常用手段之一。此外，硫酸亚铁凝胶剂量计以测量电离辐射致氧化的fe³⁺离子浓度为主要原理，利用磁共振成像建立纵向弛豫率与剂量关系。美国rege教授利用氯金酸在电离辐射下还原成金纳米颗粒(伴随颜色变化)的原理，构筑纳米水凝胶剂量计，利用紫外分光光度法建立吸光度与放疗剂量间关系。此外，教授制备可降级凝胶包裹聚乙烯吡咯烷酮修饰的ag纳米颗粒，利用放疗过程中高能光子产生的光致核反应，生成ag的同位素，再结合正电子发射断层影像技术，最终建立放射性活度与剂量的关系。

但是上述电离辐射剂量测量方法存在一些缺点，例如使用硅二极管时，往往需要外部电路。该材料对射线角度、能量和剂量率依赖性高等缺点，温度和使用时间对其测量灵敏度影响大，组织等效性差(测得的剂量需矫正因子换算)，不同批次测量偏差大。热释光剂量片的机械强度差、易碎，需要外加媒介固定在皮肤上，增大炎症风险，环境(光、热)对其剂量测量准确度影响大，剂量读取复杂。场响应管使用成本高，需要外加高压，不适合原位剂量测量。以上这些剂量计的制备往往需要复杂而先进的工艺，也限制了它们的应用。

此外，三维水箱尺寸大，位置分辨率低，读取费时。硫酸亚铁凝胶剂量计中fe³⁺离子容易扩散，位置分辨差。聚合物凝胶剂量计对氧气、温度对测量影响大，并且该方法对低剂量不敏感。rege教授和教授课题组报道的金属掺杂凝胶剂量计在低剂量区域的线性响应性差，重金属离子的引入降低了材料的组织等效性，从而影响剂量测量的准确性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒及其制备方法，本发明的水凝胶纳米颗粒在测量电离辐射剂量时，比色荧光信号与电离辐射剂量线性响应在0-20gy范围具有很好的线性响应性，检测限低，检测灵敏度高，荧光信号具有很好稳定性，并且误差率低。

本发明的第一个目的是提供一种用于测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

(1)将对电离辐射不敏感的荧光物质、亲水性单体、交联剂和功能性单体在水中混匀，得到混合液；其中，所述对电离辐射不敏感的荧光物质选自apma修饰的tamra、罗丹明b-异硫氰酸酯、罗丹明b-葡聚糖或德克萨斯红-葡聚糖；所述功能性单体选自带有氨基的单体；

(2)将所述混合液加入到含表面活性剂的有机溶液中，在引发剂和催化剂存在的条件下，在惰性气氛中于20-30℃下发生反相乳液聚合反应，反应完全后得到水凝胶纳米颗粒；所述水凝胶纳米颗粒表面带有若干氨基；

(3)在ph为5.5条件下，使用活化剂活化对电离辐射敏感的荧光物质，活化完全后再与所述水凝胶纳米颗粒在ph为7.4条件下于4-30℃(优选20-30℃)下反应，反应完全后得到所述用于测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒；其中，所述对电离辐射敏感的荧光物质选自带有羧基、氨基或羟基的荧光物质。

如无特殊说明，本发明中，apma表示n-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐，tamra表示5(6)-羧基四甲基罗丹明。

进一步地，在步骤(1)中，所述亲水性单体选自丙烯酰胺(aam)、甲基丙烯酸羟乙酯、n-异丙基丙烯酰胺或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯。

进一步地，在步骤(1)中，所述交联剂为n,n′-亚甲基双丙烯酰胺(bis)或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯。

进一步地，在步骤(1)中，所述带有氨基的单体选自apma和/或烯丙基胺。

进一步地，在步骤(1)中，所述电离辐射不敏感的荧光物质、亲水性单体、交联剂和功能性单体的摩尔比为0.01:21:6:8。

进一步地，步骤(1)中的电离辐射不敏感的荧光物质与步骤(3)中的电离辐射敏感的荧光物质的摩尔比为0.01:8。

进一步地，在步骤(1)中，所述apma修饰的tamra的制备方法包括以下步骤：

进一步地，将apma与5(6)-羧基四甲基罗丹明琥珀酰亚胺酯(tamra-se)在ph为9.5的缓冲溶液中混匀，然后在20-30℃下避光反应，反应完全后得到apma修饰的tamra。由于tamra带有荧光性，在其上修饰apma后，使得tamra带有可以反应的双键官能团，以上反应的原理图如图1所示。

优选地，在步骤(1)-(2)中，对电离辐射不敏感的荧光物质为apma修饰的tamra，其为表面带有双键的荧光物质，亲水性单体为aam，交联剂为bis，功能性单体为apma，在交联剂的作用下，apma修饰的tamra、aam和apma发生乳液共聚合反应，得到表面带有若干氨基的水凝胶纳米粒，其中tamra被聚合到凝胶基质中，乳液聚合反应的原理图如图2所示。

进一步地，在步骤(2)中，有机溶液中的溶剂为正己烷、甲苯、环己烷和正庚烷中的一种或几种。

进一步地，在步骤(2)中，所述表面活性剂为十二烷基聚四氧乙烯醚(brij30)和二辛基磺基琥珀酸钠(aot)。

进一步地，在步骤(2)中，所述引发剂为过硫酸盐；所述催化剂为四甲基乙二胺、亚硫酸氢钠和尿素中的一种或几种。

进一步地，在步骤(2)中，所述引发剂为过硫酸铵(aps)和/或过硫酸钾。

进一步地，在步骤(2)中，所述水凝胶纳米颗粒的粒径为40-100nm。

进一步地，在步骤(3)中，所述活化剂为(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(edc)和n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)。

进一步地，在步骤(3)中，所述对电离辐射敏感的荧光物质选自香豆素3-羧酸(cca)、氨基苯基荧光素(apf)或羟基苯基荧光素(hpf)。

优选地，对电离辐射敏感的荧光物质为cca，其中的羧基与表面带有氨基的水凝胶纳米颗粒中的氨基发生反应，生成共价键，从而使得cca连接到水凝胶纳米颗粒表面，其反应原理图如图3所示。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述制备方法所制备的用于测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒，包括水凝胶纳米颗粒、对电离辐射敏感的荧光物质以及对电离辐射不敏感的荧光物质，所述对电离辐射敏感的荧光物质连接在所述水凝胶纳米颗粒表面，所述对电离辐射不敏感的荧光物质分布于所述水凝胶纳米颗粒中。

对电离辐射不敏感的荧光物质依靠化学键连接在水凝胶基质中或依靠物理作用包裹于水凝胶纳米颗粒的三维网络内部。

如当对电离辐射不敏感的荧光物质为apma修饰的tamra时，其依靠双键与亲水性单体和功能性单体发生共聚合，使得apma修饰的tamra依靠共价键连接到最终形成的水凝胶基质中。当对电离辐射不敏感的荧光物质为罗丹明b-异硫氰酸酯、罗丹明b-葡聚糖或德克萨斯红-葡聚糖时，其依靠物理相互作用吸附于凝胶基质中。

本发明的方法所制备的水凝胶纳米颗粒在用于测量电离辐射剂量时，采用荧光比色法进行，包括以下步骤：

(s1)采用不同电离辐射剂量的x射线照射本发明的水凝胶纳米凝胶，测量其在第一发射波长和第二发射波长处的荧光强度值，然后计算出第一发射波长的荧光强度值与第二发射波长处的荧光强度值的比值，建立电离辐射剂量与荧光强度比值之间的相互关系图；

(s2)采用未知的电离辐射剂量的x射线照射本发明的水凝胶纳米凝胶，测量其在第一发射波长和第二发射波长处的荧光强度值，然后计算出第一发射波长的荧光强度值与第二发射波长处的荧光强度值的比值s，根据上述建立的相互关系图找出比值s对应的电离辐射剂量的具体数值；

其中，以上步骤中，第一发射波长为对电离辐射敏感的荧光物质的发射波长；第二发射波长对电离辐射不敏感的荧光物质的发射波长。

本发明的第三个目的是提供一种基于比色荧光法的电离辐射剂量计，包括上述用于测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明通过反向乳液聚合法，制备用于测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒，其可以用于制备基于比色荧光法的电离辐射剂量计。本发明制备的水凝胶纳米颗粒的荧光比色组分包括对电离辐射不敏感的荧光单体和对电离辐射敏感的荧光单体，根据其发射波长处的荧光强度值，可准确检测出电离辐射剂量。

通过本发明的方法，比色荧光信号与电离辐射剂量线性响应在0-20gy范围具有很好的线性响应性(r²＝0.9989)。目前，该凝胶剂量计的最低检测限为0.1gy，检测灵敏度为0.35gy^-1。获得的荧光信号能够保持20天，在5-50℃范围也具有很好稳定性，并且误差率低(<±5％)，满足临床放疗剂量测量要求。

本发明构建的基于比色荧光法的电离辐射剂量计，有效解决了目前放疗剂量计灵敏度低、组织等效性差、线性响应性差以及制备、使用困难等缺点，同时避免了环境温度，氧气等对剂量测量读取的影响。

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apma修饰的tamra的反应原理图；

图2是本发明实施例1的一种采用反相乳液聚合法制备水凝胶纳米颗粒的原理图；

图3是本发明cca连接到水凝胶纳米颗粒表面的原理图；

图4是本发明实施例1制备的水凝胶纳米颗粒的透射电镜图和动态光散射图；

图5是本发明实施例1制备的水凝胶纳米颗粒的荧光比色谱图；

图6是在0-20gy下，本发明实施例1制备的水凝胶纳米颗粒在λem＝450和580nm处的荧光强度比值结果；

图7是在0-2gy下，本发明实施例1制备的水凝胶纳米颗粒在λem＝450和580nm处的荧光强度比值结果；

图8是本发明实施例1制备的水凝胶纳米颗粒在不同电离辐射剂量下的时间稳定性测试结果；

图9是本发明实施例1制备的水凝胶纳米颗粒在不同电离辐射剂量下的温度稳定性测试结果；

图10是本发明实施例1制备的水凝胶纳米颗粒在不同电离辐射剂量下的误差率测试结果；

图11是本发明实施例2的一种采用反相乳液聚合法制备水凝胶纳米颗粒的原理图；

图12是本发明实施例2制备的水凝胶纳米颗粒的荧光比色谱图；

图13是在0-2gy下，本发明实施例2制备的水凝胶纳米颗粒的剂量线性图；

图14是在0-20gy下，本发明实施例2制备的水凝胶纳米颗粒的剂量线性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，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水凝胶纳米颗粒的制备

本实施例提供了一种基于比色荧光法测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒及其制备方法，包括以下步骤：

1、将0.5mgapma和1mgtamra-se溶解于250μl硼酸钠缓冲液(ph＝9.5)中，避光室温下搅拌24h，得到apma修饰的tamra(以下简称tamra-apma)，4℃保存备用。其反应原理图如图1所示。

2、将300mgaam、180mgbis和300mgapma溶解于2ml去离子水中，然后加入到250μl步骤1制备的tamra-apma中，将混合液用0.2μm过滤器过滤，得到反应混合液。

3、将3.2ml表面活性剂brij30与1.59gaot加入43ml正己烷中搅拌溶解，同时加入2ml步骤1制备的反应混合液，n2氛围下高速搅拌20min，之后向其中加入80μl10％的aps与60μl四甲基乙二胺，n2氛围下反应2h，得到tamra修饰的paa水凝胶纳米颗粒。将水凝胶纳米颗粒旋蒸，并用乙醇洗涤5次后，冷冻干燥备用。水凝胶纳米颗粒的制备原理图如图2所示。

4、将10mgcca溶解于20ml2-(n-吗啉代)乙磺酸(mes，ph＝5.5)缓冲溶液中，加入80mgedc和120mgnhs活化15min。之后，将20ml步骤3中得到的tamra修饰的paa水凝胶纳米颗粒(2.5mgml^-1，20ml1×磷酸缓冲盐溶液(pbs，ph＝7.4))加入其中，并加入一定量naoh调节溶液ph＝7.4。室温避光搅拌10h后，用whatman1#滤纸过滤后，旋蒸，乙醇洗涤5次，冷冻干燥，得到干燥的tamra/cca共修饰聚丙烯酰胺基纳米凝胶。将该凝胶直接分散于水中，即可获得一种基于比色荧光法测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒，其荧光比色组分包括对电离辐射不敏感的荧光单体5(6)-羧基四甲基罗丹明(λem＝580nm)和对电离辐射敏感的cca(λem＝450nm)。图4a、b分别为其透射电镜图和动态光散射图，可以看出，该纳米颗粒的粒径为20-60nm，粒径分布均一。

采用x射线机给予以上制备的水凝胶纳米颗粒不同电离辐射剂量照射，利用酶标仪测量其荧光强度，在不同剂量下的荧光比色谱图如图5所示(λex＝400nm)，可以看到，在不同电离辐射剂量照射下，该水凝胶的发射波长的波峰位置为450nm和580nm，分别为cca和5(6)-羧基四甲基罗丹明的发射波长。

在不同电离辐射剂量下，根据以上制备的水凝胶纳米颗粒在λem＝450、580nm处的荧光强度比值，建立电离辐射剂量与荧光强度之间的相互关系，结果如图6-7所示。从图中可以看出，比色荧光信号与电离辐射剂量线性响应在0-20gy范围具有很好的线性响应性(r²＝0.9989)，其最低检测限为0.1gy，检测灵敏度为0.35gy^-1。

同时，采用不同电离辐射剂量照射上述制备的水凝胶纳米颗粒，分别测定不同照射时间和不同温度下，其在λem＝450、580nm处的荧光强度比值，结果如图8和9所示。结果表明，以上制备的水凝胶纳米颗粒获得的荧光信号能够保持20天，在5-50℃范围也具有很好稳定性。此外，图10的结果表明以上制备的水凝胶纳米颗粒在不同电离辐射剂量下的误差率较小。

实施例2水凝胶纳米颗粒的制备

本实施例提供了一种基于比色荧光法测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒及其制备方法，包括以下步骤：

1、将1.25mg罗丹明b-葡聚糖(ritc-dextran)、300mgaam、180mgbis和300mgapma溶解于2ml去离子水中，然后用0.2μm过滤器过滤，得到反应混合液。该步骤中的罗丹明b-葡聚糖还可以替换成德克萨斯红-葡聚糖或罗丹明b-异硫氰酸酯。

2、将3.2ml表面活性剂brij30与1.59gaot加入43ml正己烷中搅拌溶解，同时加入2ml步骤1制备的反应混合液，n2氛围下高速搅拌20min，之后向其中加入80μl10％的aps与60μl四甲基乙二胺，n2氛围下反应2h，得到基于paa的水凝胶纳米颗粒。将水凝胶纳米颗粒旋蒸，并用乙醇洗涤5次后，冷冻干燥备用。水凝胶纳米颗粒的制备原理图如图11(a)所示。

3、将10mgcca溶解于20ml2-(n-吗啉代)乙磺酸(mes，ph＝5.5)缓冲溶液中，加入80mgedc和120mgnhs活化15min。之后，将20ml步骤2中得到的tamra修饰的paa水凝胶纳米颗粒(2.5mgml^-1，20ml1×磷酸缓冲盐溶液(pbs，ph＝7.4))加入其中，并加入一定量naoh调节溶液ph＝7.4。室温避光搅拌10h后，用whatman1#滤纸过滤后，旋蒸，乙醇洗涤5次，冷冻干燥，得到干燥的罗丹明b-葡聚糖/cca共修饰聚丙烯酰胺基纳米凝胶(图11(b))。将该凝胶直接分散于水中，即可获得一种基于比色荧光法测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒。

按照实施例1的方法测试上述制得的水凝胶在不同剂量下的荧光比色谱图，结果如图12所示(λex＝400nm)，可以看到，在不同电离辐射剂量照射下，该水凝胶的发射波长具有两个峰，分别为cca和罗丹明b-葡聚糖的发射波长。

在不同电离辐射剂量下，根据以上制备的水凝胶纳米颗粒在λem＝450、580nm处的荧光强度，建立电离辐射剂量与荧光强度之间的相互关系，结果如图13-14所示。从图中可以看出，比色荧光信号与电离辐射剂量线性响应在0-20gy范围具有很好的线性响应性(r²＝0.996-0.997)。

实施例3水凝胶纳米颗粒的制备

按照实施例1的方法制备基于比色荧光法测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒，不同之处在于，步骤2中的aam可以替换为等摩尔质量的甲基丙烯酸羟乙酯。

实施例4水凝胶纳米颗粒的制备

按照实施例1的方法制备基于比色荧光法测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒，不同之处在于，步骤2中的apma可以替换为等摩尔质量的烯丙基胺。

实施例5水凝胶纳米颗粒的制备

按照实施例1的方法制备基于比色荧光法测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒，不同之处在于，步骤2中的bis可以替换为等摩尔质量的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯。

实施例6水凝胶纳米颗粒的制备

按照实施例1的方法制备基于比色荧光法测量电离辐射剂量的水凝胶纳米颗粒，不同之处在于，步骤4中的cca可以替换为等摩尔质量的apf或hpf。

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。