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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22532 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In medizinischen Einrichtungen ist Strahlenschutz eine wirksame Strategie, um medizinisches Personal und Patienten vor Strahlenexposition zu schützen. Die Reduzierung des Gewichts des Schutzschildes, das medizinisches Personal im strahlenerzeugenden Bereich trägt, spielt eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung seiner Produktivität und Mobilität. In dieser Studie wurde ein neuer leichter Strahlungsschutz durch Elektrospinnen eines Polymer-Wolfram-Verbundmaterials entwickelt, um Nanofasern mit einer mehrschichtigen Dünnfilmstruktur ähnlich der eines Morpho-Schmetterlingsflügels herzustellen. Die hergestellte Abschirmung bestand aus 0,1 mm dickem, flexiblem Abschirmpapier. Die mehrschichtige Struktur des dünnen Abschirmpapiers wurde durch Nanofasermusterbildung durch Elektrospinnen einer Dispersion von Wolframpartikeln erhalten. Bei einer Dicke von 0,1 mm betrug die Abschirmungsrate des Papiers 64,88 % bei 60 keV. Darüber hinaus betrug die Abschirmungsrate bei einer Dicke von 0,3 mm und der Anordnung in einer laminierten Struktur 90,10 % und das Bleiäquivalent betrug 0,296 mmPb. Beim Einsatz als Schürzenmaterial kann das Gewicht im Vergleich zu bestehenden Bleiprodukten um 45 % reduziert werden. Darüber hinaus ist das Material gut verarbeitbar und kann zur Herstellung verschiedener flexibler Produkte wie Mützen, Handschuhe, Unterwäsche und Schals für medizinische Einrichtungen verwendet werden.

Die Radiographie ist eine medizinische Technologie, die Röntgenstrahlen durch den menschlichen Körper sendet und den Unterschied in der Dichte von Substanzen im menschlichen Körper nutzt, um anatomische Strukturen abzubilden1. Die Durchdringung von Röntgenstrahlen ist begrenzt, wenn die Dichte des Gewebes hoch ist, während Gewebe mit relativ geringer Dichte leicht durchdrungen werden können2. Je höher also die Dichte der Abschirmung ist, desto vorteilhafter kann sie für den Strahlenschutz sein.

Künstliche Strahlungen wie Röntgenstrahlen wurden für medizinische und industrielle Technologien entwickelt. Aufgrund des zunehmenden Einsatzes medizinischer Geräte sind die Bevölkerung sowie medizinisches und industrielles Personal jedoch einer erhöhten Strahlenbelastung ausgesetzt3. Daher ist eine aktive Strahlenschutztechnologie erforderlich, um die Exposition zu reduzieren. Darüber hinaus hat der Einsatz mobiler Röntgengeräte aufgrund der jüngsten COVID-19-Pandemie4 zugenommen. Die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) legt fest, dass die im medizinischen Bereich eingesetzte Strahlung zum Wohle der Patienten eingesetzt und optimiert werden soll5.

Die in medizinischen Einrichtungen eingesetzte Strahlenschutztechnologie ist mit Zeit und Entfernung verbunden6. Als Röntgenschutzschilde werden im Allgemeinen Bleiplatten oder -folien aus Bleipulver und einem Polymer wie Gummi verwendet7. Aufgrund seiner Toxizität wirft Blei jedoch Probleme hinsichtlich der Bleivergiftung und -entsorgung auf. Daher werden in medizinischen Einrichtungen verwendete Schutzschilde zunehmend aus bleifreien Materialien hergestellt8. Allerdings verwenden die meisten medizinischen Geräte, Hilfsmittel und Einrichtungen, die Strahlung verwenden, immer noch Blei als Abschirmmaterial. Um dieses Problem zu lösen, sollte daher die Verwendung billiger und umweltfreundlicher bleifreier Materialien mit einer Abschirmleistung, die der von Blei entspricht, ausgeweitet werden.

Als Alternativen zu Blei werden typischerweise Materialien wie Wolfram, Wismutoxid, Bariumsulfat und Bor verwendet9. In Anbetracht der Abschirmleistung ist Wolfram das nützlichste umweltfreundliche Abschirmmaterial. Im Allgemeinen sollten Bleiersatz-Abschirmmaterialien ungiftig sowie flexibel und verarbeitbar sein. Darüber hinaus sollten die Materialien als Material vorgeschlagen werden, das eine hervorragende Affinität zu dem zu mischenden Polymer aufweist oder als Material geeignet ist, das Gewicht bei der Herstellung eines Schildes zu reduzieren. Zu den Arten von Abschirmungen, die mit diesen Abschirmmaterialien hergestellt werden können, gehören Platten, Fasern und Folien. Abhängig von der Prozesstechnologie ist das Pressen oder Spritzgießen in die gewünschte Form möglich.

Aus einem mit dem Abschirmmaterial imprägnierten Garn wird eine faserartige Abschirmung gewebt. Allerdings wird die Abschirmleistung durch die beim Webvorgang entstehenden Nadellöcher zwischen den Garnen begrenzt. Daher werden faserbasierte Abschirmungen vor allem zum Schutz vor Sekundärstrahlung (oder Streustrahlung) eingesetzt10. Eine plattenförmige Abschirmung wird durch Mischen eines Polymers und eines Abschirmmaterials hergestellt, das auf die erforderliche Dicke komprimiert wird. Das wichtigste Element dieses Prozesses ist die gleichmäßige Verteilung des Abschirmmaterials. Der Dispergierungsprozess des Abschirmmaterials beeinträchtigt die Reproduzierbarkeit der Abschirmleistung und lässt sich ohne Standardisierung des Produktionsprozesses nur schwer auf die Massenproduktion anwenden11.

Die einteilige plattenförmige Abschirmung besteht zu 100 % aus dem Abschirmmaterial und wird im Walzverfahren hergestellt. Wenn Wolfram als Abschirmmaterial bei der Herstellung von Einzelkomponentenplatten ausgewählt wird, ist die Produktionsverarbeitbarkeit aufgrund seines hohen Schmelzpunkts gering12. Daher ist die Auswahl an Abschirmmaterialien für Einkomponenten-Plattenschirme begrenzt. In den letzten Jahren wurde die Plattenflexibilität durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen erreicht, und die auf diese Weise hergestellten Platten wurden häufig als Material für Anwendungen wie Abschirmwände verwendet13. Materialien für andere Anwendungen von Abschirmungen, wie zum Beispiel Blöcke, Spritzenabschirmungen und Öffnungen, die in medizinischen Einrichtungen verwendet werden, werden durch Spritzgießen durch Mischen eines Abschirmmaterials und eines Polymers hergestellt14. Die Mischbarkeit der Metallpartikel mit dem Polymer ist ein entscheidender Faktor für die Verarbeitbarkeit und Abschirmleistung von Verbundwerkstoffen.

Eine Schürze ist ein repräsentativer Röntgenschutz einer medizinischen Einrichtung, der in Form von Kleidung hergestellt und vom medizinischen Personal und Arbeitern getragen wird. Daher muss es in einer dünnen und leichten Form hergestellt werden, um eine uneingeschränkte Beweglichkeit des Trägers zu gewährleisten. Die derzeit erhältliche Röntgenschutzschürze stellt eine körperliche Belastung für den Träger dar, da sie bei einem Produkt mit einem Bleiäquivalent von 0,25 mmPb15 2,85–3,15 kg wiegt. Die Gewichtsreduzierung des Abschirmkleidungsstücks kann begrenzt sein, da sie in direktem Zusammenhang mit der Dichte und Masse des Abschirmmaterials steht. Obwohl die Beweglichkeit des Trägers durch eine Verringerung der Dicke der Folie verbessert werden kann, würde dies die Abschirmleistung verringern. Eine Methode zur Verbesserung der Abschirmleistung ist die kontrollierte Verteilung des Abschirmmaterials. Die Abschwächung der einfallenden Röntgenenergie erfolgt durch ihre Wechselwirkung mit Partikeln des Abschirmmaterials. Diese Abschwächung kann dadurch erhöht werden, dass die Strahlung mit einer größeren Anzahl von Partikeln in Wechselwirkung tritt16. Daher ist die Partikeldispersionstechnologie des Abschirmmaterials der wichtigste Faktor im Hinblick auf Abschirmleistung, Gewichtsreduzierung und Reproduzierbarkeit der Abschirmleistung, insbesondere bei Dünnschicht-Verbundstrukturen.

In der Natur kommen verschiedene Arten ungewöhnlicher Verbundstrukturen vor. Die Flügel des Morpho-Schmetterlings bestehen aus mehrschichtigen dünnen Filmen in Mikrogröße und weisen eine regelmäßige Anordnung auf. Aufgrund der einzigartigen Oberflächenstruktur wird nur blaues Licht reflektiert und die Schmetterlingsflügel erscheinen blau17. Die Falten sind auf der linken und rechten Säule in einem Abstand von etwa 700 nm und einer Höhe von 2 μm gefaltet, und der Abstand zwischen der oberen und unteren Falte beträgt etwa 200 nm18. In dieser Studie wurde die Struktur von Schmetterlingsflügeln als Modell für die Verteilung von Partikeln in einem Röntgenschild verwendet. Das Muster wurde durch wiederholte Überlappungen vervollständigt, ähnlich den Dachziegeln eines koreanischen Gebäudes. Um die Reproduzierbarkeit dieses Musters zu gewährleisten, wurde außerdem die Elektrospinning-Methode verwendet, um die gleiche Menge Abschirmmaterial an derselben Stelle aufzutragen. Das Abschirmmaterial bestand aus umweltfreundlichen Wolframpulverpartikeln. Obwohl Wolfram eine Ordnungszahl von 74 hat und eine höhere Dichte als Blei (19,25 g cm−3) aufweist, ist eine Gewichtsreduzierung durch eine Verringerung der Dicke der Abschirmung möglich19. Ziel dieser Studie ist es daher, die Abschirmleistung eines auf diesen Materialien basierenden Schildes mit einem schmetterlingsflügelähnlichen Muster zu bewerten.

Darüber hinaus zielt diese Studie darauf ab, die Abschirmleistung zu verbessern, indem das Strahlungsschutzpapier so dünn wie möglich gemacht wird, damit es in einem mehrschichtigen Aufbau verwendet werden kann, und eine Wechselwirkung mit Partikelstrahlung induziert wird. Das hergestellte Abschirmpapier kann aufgrund seiner geringeren Dicke in einer flexiblen, laminierten Struktur verwendet werden. Daher berichtet diese Studie über eine neuartige medizinische Strahlungstechnologie zur Herstellung dünner Abschirmpapiere unter Verwendung der Morpho-Schmetterlingsflügelstruktur. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene Verfahren zur Massenproduktion des leichten Strahlenschutzpapiers eingesetzt werden und die Sicherheit des medizinischen Personals verbessern.

Die Strahlung sollte erhöht werden. Die Partikeldispersionstechnologie des Abschirmmaterials kann die Abschirmleistung verbessern, indem diese Wechselwirkungen verstärkt werden. Daher kann für ein Medium, das aus Polymer- und Wolframpartikeln besteht, die Verringerung der Intensität der einfallenden Energie durch ihre Wechselwirkung mit einer Masse pro Flächeneinheit des Abschirmmaterials mit der Beer-Lambert-Gleichung20 berechnet werden:

Dabei ist \({I}_{0}\) die einfallende Photonenintensität, \(I\) die abgeschwächte Photonenintensität, \(\rho \) (g cm−3) die Dichte und \(\mu \)(cm−1) und \({\mu }_{m}\)(cm2 g−1) sind die linearen bzw. Massenschwächungskoeffizienten. Die Dicke der Abschirmung, \(d\)(cm), entspricht dem Abstand, in dem der einfallende Strahl mit den Partikeln des Abschirmmaterials interagiert. Daher ist \({d}_{m}\) (g cm−2) die Masse pro Flächeneinheit des Abschirmpapiers, und wenn diese als Dicke der Abschirmung berechnet wird, kann sie als Gleichungen ausgedrückt werden: (2), (3):

wobei \({W}_{i}\) das Gewichtsverhältnis der \(i\)-ten Komponente21 ist. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Abschirmmaterialien im Strahlungsschild höher sein muss, um die Masse pro Flächeneinheit zu erhöhen. Um die Abschirmwirkung bei minimaler Massenzunahme zu verbessern, muss daher die Flächeneinheit des Abschirmmaterials vergrößert werden. Die gesamte atomare Querschnittsfläche \({\sigma }_{a}\)(cm2 g−1) des Abschirmpapiers kann mithilfe des Massenschwächungskoeffizienten geschätzt werden. Durch Berechnung der Anzahl der Atome kann die Elektronendichte wie folgt ermittelt werden:

wobei \({N}_{A}\) die Avogadro-Konstante ist. Daher kann die Elektronenquerschnittsfläche wie folgt ermittelt werden:

wobei \({Z}_{i}\), \({f}_{i}\), \(({\mu }_{m}{)}_{i}\) und \({ A}_{i}\) sind die Ordnungszahl, der Stoffmengenanteil, der Massenschwächungskoeffizient bzw. das Atomgewicht der i-ten Komponente22.

Um die Dispergierbarkeit der Abschirmmaterialpartikel zu erhöhen, wurde bei der Herstellung des Abschirmpapiers eine neue Dispersionsstruktur angewendet. Die Dispersion des Abschirmmaterials wurde durchgeführt, um die gesamte atomare Querschnittsfläche zu vergrößern, und die Morpho-Schmetterlingsflügelstruktur wurde als effektivstes Modell ausgewählt. Abbildung 1 zeigt schematisch die Nutzung der mehrschichtigen Struktur des Flügels des Morpho-Schmetterlings zur Röntgenabschirmung.

Vergrößerte Ansicht des Flügels eines Morpho-Schmetterlings und seine Anwendung zur Röntgenabschirmung.

Wie in Abb. 2 dargestellt, überlappen sich die Oberflächen der Flügel des Morpho-Schmetterlings, und im Querschnitt ist zu erkennen, dass es sich um eine mehrschichtige Dünnschichtstruktur handelt. Strukturell sind die Dicke, der Brechungsindex des Flügels und die Periodizität des Gitters darauf ausgelegt, nur die blaue Wellenlänge zu reflektieren23.

Vergrößerte Struktur des Morpho-Schmetterlingsflügels.

Röntgenstrahlen, die in medizinischen Einrichtungen verwendet werden, zeichnen sich durch einen geringen Umsatz aus und sind sehr gerade. Wenn sie daher mit einem mehrschichtigen Schild ähnlich einer Morpho-Schmetterlingsflügelstruktur abgeschirmt werden, kann die Querschnittsfläche der Photonenkollisionseinheit erweitert werden, und es wird erwartet, dass die Abschirmwirkung zunimmt. Da das gleiche Muster durch Nanofasern implementiert werden kann und ein Wolfram-Abschirmmaterial auf eine solche Struktur aufgepfropft werden kann, kann daher die Strukturdispersion zur Verbesserung der Abschirmleistung verwendet werden.

Die vorgeschlagene Abschirmstruktur enthält zwei Grundmaterialien: Wolfram und Polyurethan. Als Abschirmmaterial wurde pulverisiertes Wolfram (Wolfram, W, 99,9 %, < 4 µm, NanGong XinDun Alloys Spraying Co. Ltd., China) verwendet. Das Wolframpulver wurde 5 Minuten lang zerkleinert und dann 24 Stunden lang in einem Ofen bei 60 °C getrocknet, um die Partikelgröße zu kontrollieren. Das mit Wolfram verwendete Polymer war Polyurethan (PU, P-7195A, MW 100.000–150.000, Songwon, Korea), das unter den gleichen Bedingungen wie Wolfram getrocknet wurde. Als Lösungsmittel zum Auflösen des Polymers wurde N-Dimethylformamid (DMF, 99,5 %, Daejung, Korea) verwendet. Zur Herstellung des Abschirmpapiers wurden zwei Lösungsmittel verwendet; Chloroform (95 %, Duksan, Korea) wurde als schlechtes Lösungsmittel zur Kontrolle der Verflüchtigungsrate des Lösungsmittels und DMF zum Auflösen des Polymers verwendet. Die Herstellungsmethode der Spinnlösung ist in Abb. 3 dargestellt. Zunächst wurde das Wolfram in eine 20-ml-Glasflasche gegeben. Anschließend wurden 5,165 g DMF und 2,785 g Chloroform zugegeben, 1 Minute lang mit einer Ultraschallmühle dispergiert und mit einem Magnetrührer (Laborrührer/Heizplatte, PC-420, Corning, Mexiko) bei 600 U/min gemischt. Zusätzlich wurden 2,05 g PU hinzugefügt und nach 10 Minuten wurde die Geschwindigkeit des Rührers auf 220 U/min reduziert und das Mischen wurde für 12 Stunden oder länger fortgesetzt, bis das Polymer vollständig aufgelöst und versponnen war.

Vorbereitung der Spinnlösung zur Herstellung von Dünnschicht-Abschirmpapier.

Um die Dispersionsleistung des Abschirmmaterials zu erhöhen, wurde das Elektrospinnen bei 10 kV gehalten, indem die Spannung mit einem Hochspannungsnetzteil (CPS-60K02VIT, Chungpa EMT Co., Südkorea) gesteuert wurde, wie in Abb. 4 dargestellt , wurde die Spinngeschwindigkeit so eingestellt, dass die Durchflussrate einer Spritzenpumpe (Spritzenpumpe, KDS100, SD Scientific Inc., Holliston, USA) 1,0 mL h − 1 betrug. Bei diesem Verfahren wurden die Kapazität und die Sammelstrecke der Spritze berücksichtigt Da das Teilchengewicht des Wolframs die Bildung des Nanofasermusters beeinträchtigt, wurde die Spritze wiederholt bewegt, um das Nanofasermuster zu bilden.

Elektrospinning-Verfahren zur Erhöhung der Dispersionsleistung des Abschirmmaterials.

Um die mehrschichtige Struktur eines Morpho-Schmetterlingsflügels zu reproduzieren, wurde eine Elektrospinning-Technik angewendet, die die gleiche Ausrichtung beibehielt. Im Allgemeinen werden Nanofasermatten durch unregelmäßige Verteilung der Nanofasern ohne feste Richtung während des Sammelschritts hergestellt24,25. Wenn jedoch eine Nanofaser mit einer Musterstruktur in einer bestimmten und regelmäßigen Richtung hergestellt wird, können Fehler, die aus der unregelmäßigen Musterstruktur resultieren, reduziert werden, wenn Strahlung durch das innere Muster der Nanofaser gelangt26,27. Darüber hinaus kann bei der Anwendung eines regelmäßigen Nanofasermusters die Kompaktheit im Inneren der Abschirmung bei gleicher Menge an Abschirmmaterial erhöht werden. Wie in Abb. 5 gezeigt, stimmten die Struktur des Schmetterlingsflügels (Abb. 5a) und die Struktur des Polymermusters (Abb. 5b) überein.

Elektrospinnen des Abschirmmaterials zur Erhöhung seiner Dispersionsleistung. (a) Vergrößerte Bilder eines Morpho-Schmetterlingsflügels und (b) Ergebnis der Implementierung desselben Musters durch Elektrospinnen.

Die endgültigen Dispersionsbedingungen für das Abschirmmaterial sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das Elektrospinnen wurde durchgeführt, indem der Abstand zwischen der Nadel und der Auffangplatte bei 13–15 cm, die Luftfeuchtigkeit bei 25–40 % und die Temperatur bei 22–25 °C gehalten wurden. Darüber hinaus wurden 10 ml der Elektrospinnlösung in 1-Stunden-Intervallen von jeweils 1 ml elektrogesponnen. Aufgrund des Gewichts der Wolframpartikel im hergestellten Verbundmaterial ist die Dispersion umso besser, je kürzer die Zeit für das Elektrospinnen nach dem Rühren ist.

Darüber hinaus wurde das Nanofaserpapier dreimal für 10 s einem Nachbehandlungsprozess mit einer Heißpresse (Heizpresse, DHP-2, Dad Heung Science, Südkorea) bei einer Temperatur von 40 °C und einem Druck von 3000 unterzogen psi. Dieser Vorgang wurde fünfmal wiederholt, um ein Blatt Dünnfilm-Abschirmpapier mit einer Dicke von 0,1 mm zu erhalten. Das vorbereitete Dünnfilm-Abschirmpapier wurde mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM; S-4800, Hitachi, Japan) beobachtet, um den Grad der Dispersion zu analysieren28. Für die Beobachtung wurden zwei unterschiedliche Kriterien herangezogen, nämlich wie gut die Partikel des Abschirmmaterials dispergiert waren und wie nah das Polymermuster an der Struktur des Morpho-Schmetterlingsflügels war.

Die Bewertung der Abschirmleistung des Abschirmpapiers basierte auf den in Abb. 629 dargestellten geometrischen Verhältnissen. Die in diesem Experiment verwendete medizinische Strahlung wurde in eine effektive Energie umgewandelt, bei der es sich um eine Einzelenergie handelt. Um die Halbwertsschicht (HVL) zu messen, wurde daher die Steigung aus dem Schwächungskoeffizientengesetz (\(I={I}_{0}{e}^{-\mu x}\)) und dem berechnet Aus dieser Steigung wurde der lineare Dämpfungskoeffizient \(\mu \) erhalten, der anschließend aus dem HVL zu 0,693/μ30 berechnet wurde. Darüber hinaus wurde die Massenschwächungskoeffiziententabelle von Hubbell verwendet, um die effektive Energie zu berechnen, die den gleichen Wert wie die HVL hat, die der oben erhaltenen Einzelenergie der HVL entspricht31. Die Abschirmrate des Abschirmpapiers wurde als \((1-\frac{W}{{W}_{0}})\times 100\)32 berechnet, wobei \(W\) und \({W}_ {0}\) sind die Dosen, die mit bzw. ohne Abschirmpapier zwischen Röntgenröhre und Dosimeter gemessen werden. Darüber hinaus wurde für diesen Zweck der Durchschnitt von 10 Messungen verwendet, die mit einem Röntgengenerator (Toshiba E7239, 150 kV–500 mA, 1999, Japan) durchgeführt wurden. Der Dosisdetektor verwendete eine Ionenkammer (Modell PM-30, 2019, USA). Um das ionisierende Dosimeter genau zu messen, wurde außerdem der Korrekturfaktor für Temperatur und Atmosphärendruck verwendet, nachdem bestätigt wurde, dass dieser bei einer Labortemperatur von 22 °C und 1 atm 1,0 betrug33.

Versuchsaufbau zur Bewertung der Abschirmleistung des Abschirmpapiers.

Das hergestellte Dünnschicht-Abschirmpapier wurde im gleichen Verfahren wie die Nanofasermatten-Herstellungsmethode hergestellt. Auf der Grundlage des Berichts, dass die Absorptionswirkung von Strahlung zunimmt, wenn das Muster der im Inneren des Abschirmpapiers aufgebauten Nanofasern eine bestimmte Richtung aufweist, wurde die Musterstruktur der Nanofasern so konfiguriert, dass sie mit der Struktur der Morpho-Schmetterlingsflügel übereinstimmt Der Elektrospinning-Prozess. Dadurch kann die Querschnittsfläche, in der Strahlung und Abschirmmaterialpartikel interagieren können, vergrößert und die Dichte der Abschirmung verbessert werden.

Abbildung 7 zeigt die elektronenmikroskopischen Aufnahmen des elektrogesponnenen Papiers mit der gleichen mehrschichtigen Struktur wie ein Morpho-Schmetterlingsflügel. Wie in Abb. 7 gezeigt, ähnelte das Querschnittsmuster des Abschirmpapiers der Struktur des Morpho-Schmetterlingsflügels. Das mehrschichtige Muster des Abschirmpapiers wurde durch Steuerung der Richtung beim Elektrospinnen zu einer gleichmäßigen mehrschichtigen Struktur gesponnen.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen von (a) einem Morpho-Schmetterlingsflügel und (b) dem elektrogesponnenen Papier.

Die Mikrostruktur des Abschirmpapiers ist in Abb. 8 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass die Ausrichtung der Nanofasern einander überschneidet. Die zuvor hergestellten Nanofasermatten, die Wolfram enthielten, wurden wiederholt in Form von übereinander gekreuzten Stoffen umgesetzt.

Endgültige Mikrostruktur der elektrogesponnenen Nanofasern.

Die Dicke des flexiblen Abschirmpapiers betrug, wie in Abb. 9 dargestellt, 0,1 mm. Die physikalischen Eigenschaften des Abschirmpapiers sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Das Aussehen des Abschirmpapiers (a) zeigt die Flexibilität des Abschirmpapiers, (b) das Aussehen des hergestellten Abschirmpapiers.

Was das mit Nanofasern implementierte Muster betrifft, gilt im Allgemeinen: Je komplexer die Struktur, desto stärker steigt der Verlust an Nanofasern, sodass es schwierig sein kann, das Muster in einer gewünschten Form umzusetzen. Allerdings wurde in dieser Studie die Spinnweite über das Gewicht der Wolframmetallpartikel gesteuert. Abbildung 10 zeigt, dass sich die Wolframpartikel aufgrund des Partikelgewichts am Ende der Faseroberfläche festsetzten und so eine mehrschichtige Form bildeten. Als die Wolframpartikel im Endprozess der Thermokompressionsbehandlung unterzogen wurden, konnte bestätigt werden, dass die Mischbarkeit von Nanofasern und Wolfram verbessert wurde, sodass die Wolframpartikel gleichmäßig dispergiert wurden. Die Dichte betrug bis zu 2,463 g cm-3 und die Flächeneinheit betrug 0,641 kg m-2.

Elektronenmikroskopische Querschnittsaufnahmen des Abschirmpapiers.

Die Abschirmleistung des hergestellten Abschirmpapiers wurde mit der eines 0,25-mm-Bleischirms verglichen. Dazu wurde die Anzahl der Lagen des Abschirmpapiers von eins bis drei variiert und eine Phantomhand mittels Röntgen abgebildet. Tabelle 3 listet die Abschirmungsleistungen von 0,1–0,3 mm Standard-Bleiproben (Reinheit 99,9 %) auf. Für niederenergetische Strahlung zeigte 0,3 mmPb die höchste Abschirmeffizienz von \(\ge \) 99 %.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der in Schürzen zur Röntgenabschirmung in medizinischen Einrichtungen verwendete Bleigehalt 0,25 mm Pb beträgt, wurde die Abschirmleistung des in dieser Studie entwickelten Abschirmpapiers mit der einer 0,25 mm dicken Bleiplatte verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. Drei Blätter wurden gestapelt, um ein 0,3 mm dickes Abschirmpapier zu erhalten. Die Abschirmleistungen der 0,25-mm-Bleiplatte und des gestapelten Abschirmpapiers unterschieden sich bei allen wirksamen Röntgenenergien um etwa 2 %. Tabelle 5 listet die Abschirmleistung von ein-, zwei- und dreischichtigen Abschirmpapieren auf. Ähnlich wie beim vorherigen Experiment entsprach die Abschirmleistung des dreischichtigen Abschirmpapiers der von 0,296 mmPb.

Um die Abschirmwirkung visuell zu überprüfen, werden die Röntgenbildergebnisse der Bleifolie und des Abschirmpapiers wie in Abb. 11 gezeigt unter Verwendung eines Handphantoms mit dem gleichen Absorptionskoeffizienten wie der des menschlichen Körpers verglichen. Wie aus Abb. 11 hervorgeht, ähnelt die Abschirmleistung des dreischichtigen Abschirmpapiers der von 0,25 mmPb, was darauf hinweist, dass es als Abschirmung für medizinische Anwendungen verwendet werden kann.

Röntgenbilder einer Phantomhand, die mit (a) einem Abschirmpapier, (b) zwei Abschirmpapieren, (c) drei Abschirmpapieren und (d) einer 0,25-mm-Bleiplatte bedeckt ist. (e) Phantomröntgenzustand.

Bei der Strahlenabschirmung medizinischer Einrichtungen sollte die Gewährleistung der Sicherheit der Exposition von Patienten und medizinischem Personal Vorrang haben. Allerdings bereitet das derzeit angebotene Abschirmprodukt aufgrund seines Gewichts Schwierigkeiten bei der Benutzeraktivität. Daher muss ein Produkt entwickelt werden, das sowohl leicht als auch umweltfreundlich ist. Es wurden verschiedene Versuche unternommen, die Dichte der Abschirmmaterialien zu erhöhen und gleichzeitig die gleiche Abschirmleistung für den gleichen Bereich der Abschirmung aufrechtzuerhalten34. Es ist eine Herausforderung, die Massengrenze zu überwinden, da die Atomzahl des Abschirmmaterials hoch sein muss. Allerdings kann die Dicke des Schildes durch die Partikeldispersionstechnologie und den Herstellungsprozess gesteuert werden, wodurch das Gewichtsproblem bis zu einem gewissen Grad gelöst werden kann.

In dieser Studie wurde eine Technologie zur Dispersion von Abschirmmaterialien untersucht, die die Wechselwirkung zwischen Partikeln und Strahlung maximiert. Wenn die dispergierten Partikel mit einfallender Strahlung interagierten oder wenn die übertragene Energie aufgrund der hohen Dichte der Abschirmung gedämpft wurde, wurde die Intensität der einfallenden Energie gedämpft35. Diese Studie wurde von der Struktur von Morpho-Schmetterlingsflügeln inspiriert und mit der Erwartung durchgeführt, dass die Abschirmwirkung höher sein würde als die der bestehenden blechartigen Abschirmung, wenn die Wolframpartikel innerhalb der Struktur verteilt wären. Wenn bei der Herstellung einer Abschirmung ein Verbundmaterial verwendet wird, bei dem Abschirmmaterialpartikel mit einem Polymer gemischt werden, gibt es eine Grenze für die Kontrolle der Dicke der Abschirmung. Der wichtigste Faktor für die Dickenkontrolle ist die Mischbarkeit des Polymers und der Abschirmmaterialpartikel. Eine schlechte Mischbarkeit führt dazu, dass sich die Polymer- und Abschirmmaterialien aggregieren, was es schwierig macht, die Dicke und Gleichmäßigkeit der Abschirmung zu kontrollieren36. In dieser Studie wurde die Elektrospinntechnologie zur Lösung dieser Probleme eingesetzt und die Abschirmwirkung entsprechend dem Strahlungsmuster bestätigt. Daher wurde die bestehende Wolframpartikel-Dispersionsmethode mit einer neuen Technologie kombiniert, um die Dicke der Abschirmung zu reduzieren und die Abschirmwirkung zu verbessern.

Die Herstellung von Abschirmblechen ist der grundlegendste Prozess bei der Herstellung einer Abschirmschürze, und der Anteil des Abschirmmaterials beträgt etwa 80–85 Gew.-%, wenn es mit einem 0,25-mm-Blech basierend auf Bleiäquivalent hergestellt wird37. Wenn der Gehalt über dem oben genannten Wert liegt, tritt außerdem ein Problem hinsichtlich der Zugfestigkeit der Folie auf. Daher wird die hergestellte Dicke bei ungefähr 0,3–0,5 mm gehalten. Das Gewicht beträgt etwa 2,80–2,914 kg m−2, und der Inhalt des Abschirmmaterials ist im Allgemeinen proportional zum Gewicht der Platte. Bei diesem Folienherstellungsverfahren ist eine gleichmäßige Verteilung der Abschirmmaterialpartikel schwierig, da die Partikel während des Rührvorgangs des Polymermaterials und des Abschirmmaterials ungleichmäßig angeordnet werden. Das Gewicht eines einzelnen Blattes Abschirmpapier, das in dieser Studie hergestellt wurde, betrug 0,641 kg m-2, und wenn es mit drei Blättern gestapelt war, betrug es 1,923 kg m-2. Das bedeutet, dass 1 m2 des Abschirmpapiers, das zur Herstellung einer Schürze benötigt wird, etwa 2 kg wiegen würde. Daher kann das Gewicht einer Schürze, wenn sie aus dem entwickelten Papier hergestellt wird, im Vergleich zu bestehenden Schürzen um etwa 1 kg reduziert werden und die Mobilität des Trägers weiter verbessert werden.

Eine weitere Reduzierung der Dicke der Abschirmkleidung kann durch den Einsatz von Abschirmpartikeln in Nanogröße erreicht werden. Allerdings ist die Herstellung von Abschirmfasern unter Verwendung von Nanopartikeln hinsichtlich der Kosten ineffizient und weist Einschränkungen bei der Materialverarbeitung auf, was die Massenproduktion erschwert38. Wenn Abschirmmaterialpartikel in Nanogröße mit hochdichten Materialien auf Gummibasis gemischt werden, können sie bis zu 90 Gew.-% des Abschirmmaterials enthalten. Aufgrund des hohen Anteils des Abschirmmaterials sind der Gewichtsreduzierung der Abschirmung jedoch Grenzen gesetzt. Darüber hinaus kann bei der Herstellung der Abschirmung unter Verwendung eines Kompressionsverfahrens die Dicke der Abschirmung verringert werden. Da die Abschirmung jedoch in Form einer Folie hergestellt wird, besteht ein Problem mit der Flexibilität. Um die Abschirmleistung sicherzustellen, ist es daher notwendig, Massenproduktionstechnologien zu entwickeln, die die Flexibilität, Zugfestigkeit, das Gewicht und die Haltbarkeit der Abschirmung berücksichtigen39.

Bei dem in dieser Studie vorgestellten Verfahren wurden Wolframpartikel und Polymermaterialien gemischt und das Elektrospinnen durch eine Spritze durchgeführt. Wenn diese Prozesstechnologie durch die Installation einer großen Anzahl von Spritzen durchgeführt wird, können alle Proben die gleiche Abschirmwirkung erzielen, sodass die Massenproduktion von Abschirmungen und die Reproduzierbarkeit der Abschirmleistung sichergestellt werden können. Darüber hinaus ist es wirtschaftlich effektiv, da Abschirmmaterialpartikel in Mikrogröße anstelle von Partikeln in Nanogröße verwendet werden können.

Wie oben erwähnt, kann die Abschirmleistung des Papiers durch Manipulation seiner Dicke und seine Dichte durch Änderung der Temperatur und des Drucks (dh der Spinnbedingungen) gesteuert werden. Wenn zur Verbesserung der Abschirmwirkung jedoch zu viel Druck und Temperatur angewendet werden, kann es dazu kommen, dass die Abschirmung ihre Flexibilität verliert. Darüber hinaus kann der Anteil des Abschirmmaterials während des Herstellungsprozesses der Abschirmung erhöht werden, allerdings ist eine aufwendige Technik erforderlich, da je nach Entfernung, in der die Spinnlösung gesponnen wird, ein Unterschied in der Abschirmdichte auftritt. Insbesondere bei der Massenproduktion von Abschirmungen ist die Gestaltung dieser Bedingungen wichtiger, um die gleiche Abschirmleistung zu reproduzieren.

Durch die Steuerung der Verarbeitungsbedingungen können verschiedene Strukturen hergestellt werden, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Beispielsweise kann das Abschirmpapier auch als Strahlenschutzkleidung gegen indirekte medizinische Strahlung (Streustrahlung) in einem Abstand von 1,5 m zur Strahlenquelle eingesetzt werden. Darüber hinaus könnte dieses Material zur Herstellung medizinischer Produkte wie OP-Handschuhe40 verwendet werden. Wenn das Abschirmpapier zur Abschirmung niedrig dosierter Strahlung bei weniger als 100 mSv verwendet wird, könnte es zum Schutz von medizinischem Personal und Patienten wirksam sein41. Wenn ein anderes Abschirmmaterial als Wolfram verwendet wird, kann es zur Entwicklung von Produkten zur Abschirmung kosmischer Strahlung beitragen, die für das tägliche Leben notwendig sind, wie zum Beispiel Schutzkleidung für die Besatzung und Hüte für die Abschirmung in der Luftfahrt. Die Dicke und das Gewicht des Schildes sind wichtige Faktoren zur Abschirmung der kosmischen Strahlung. Die Ergebnisse zeigen, dass das mit dem vorgeschlagenen Verfahren entwickelte Material ein wirksames Abschirmverhalten aufweisen würde. Daher ist mit der in dieser Studie vorgestellten Prozesstechnologie die Herstellung verschiedener Abschirmkleidungsstücke möglich, die die Benutzeraktivität gewährleisten.

Um das Gewicht des in medizinischen Einrichtungen verwendeten Strahlenschutzschildes zu reduzieren, wurde ein Abschirmpapier aus Nanofasern mit einem Morpho-Schmetterlingsflügelmuster hergestellt. Wenn die Partikel des Abschirmmaterials in einem mehrschichtigen Muster verteilt sind, kann die Dicke der Abschirmung verringert und gleichzeitig die Querschnittsfläche der Photonenkollision vergrößert werden, sodass die Intensität der Partikelstrahlung effektiv gedämpft werden kann. Im Vergleich zu dem Blatt, das als Material für den vorhandenen Schürzenschild verwendet wurde, konnte das Gewicht des in dieser Studie hergestellten Abschirmpapiers um etwa 45 % reduziert werden. Darüber hinaus war die Abschirmleistung eines Stapels aus drei Blättern des Abschirmpapiers (kombinierte Dicke = 0,3 mm) ähnlich der, die durch die Verwendung eines Bleiblatts derselben Dicke erzielt wurde. Daher könnte das durch das Verfahren dieser Studie hergestellte Abschirmpapier zur Entwicklung verschiedener leichter Abschirmungen und Abschirmanzüge für medizinische Einrichtungen verwendet werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel (und seinen ergänzenden Informationsdateien) enthalten.

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Diese Arbeit wurde durch ein von der koreanischen Regierung (MEST) finanziertes Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt (NRF. 2020R1I1A3070451).

Abteilung für Biomedizinische Technik, Keimyung University School of Medicine, Daegu, Korea

Seon-Chil Kim

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Keimyung-Universität, Daegu, Korea

Hongsik Byun

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SCK entwarf und führte die Experimente durch, analysierte die Daten und redigierte das Manuskript. HSB hat die Experimente entworfen und das Manuskript geschrieben.

Korrespondenz mit Seon-Chil Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kim, SC., Byun, H. Entwicklung von ultradünnem Strahlenschutzpapier durch Nanofasermodellierung der Morpho-Schmetterlingsflügelstruktur. Sci Rep 12, 22532 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27174-y

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Eingegangen: 3. November 2022

Angenommen: 27. Dezember 2022

Veröffentlicht: 29. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27174-y

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