惡性腫瘤是國民生命健康的重要威脅之一，放射治療技術(shù)作為惡性腫瘤治療的重要手段，一直是全世界醫(yī)學(xué)研究中心的熱點和重點方向。放療用射線在殺死腫瘤細(xì)胞的同時，也會不可避免地照射到正常組織和細(xì)胞，同時也會帶來一些不良反應(yīng)和并發(fā)癥。近年來，新技術(shù)和自動化在提高放射治療劑量精準(zhǔn)度的同時，其帶來陡峭的劑量梯度和劑量跌落，也加大了放療規(guī)劃、實施過程中誤差所帶來的安全挑戰(zhàn)。
近期，南京航空航天大學(xué)王運(yùn)龍副研究員及其合作者設(shè)計了一種基于光子晶體和3D打印的三維輻射劑量計。相關(guān)工作以“High-resolution 3D Radiochromic Hydrogel Photonic Crystal Dosimeter for Clinical Radiotherapy ”發(fā)表在《Materials Horizons》上。南京航空航天大學(xué)博士生王志浩為第一作者，綿陽市中心醫(yī)院王亭亭醫(yī)生，南京航空航天大學(xué)王運(yùn)龍副研究員，馬駿教授(現(xiàn)工作單位為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))為通訊作者。
在前期工作(Matter, 2022, 5, 4060)中，團(tuán)隊將聚合物的輻射效應(yīng)與光子晶體相結(jié)合，首次提出一種全新的劑量檢測方案，即利用光子晶體薄膜在X或γ射線的連續(xù)照射下實現(xiàn)布拉格反射峰的全可見光譜移動來實現(xiàn)劑量檢測。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊設(shè)計了一種輻射敏感的水凝膠材料，并將其引入反蛋白石光子晶體結(jié)構(gòu)。如圖1B所示，在光子晶體水凝膠合成過程中，通過添加HEMA引入可控含量的羥基，并在后續(xù)將其改性為雙鍵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了雙鍵含量可控的水凝膠光子晶體系列劑量計，并對其X射線輻射響應(yīng)性能進(jìn)行了研究。圖1D-H中的結(jié)果表明，該光子晶體水凝膠輻射劑量計的性能得到了大幅提高，基本達(dá)到了放療臨床的應(yīng)用閾值。
圖 1 高靈敏性的水凝膠光子晶體輻射劑量計設(shè)計及響應(yīng)
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊將上述劑量計在真實放療設(shè)備上進(jìn)行了試驗，結(jié)果如圖2所示。其中圖 2A-C為在X射線放療設(shè)備輻照的結(jié)果，圖 2D-F為在電子束放療設(shè)備輻照的結(jié)果。從結(jié)果可以看到，該劑量計在臨床設(shè)備上同樣具有較好的劑量響應(yīng)性能，且對劑量響應(yīng)的線性良好。從圖2G-J結(jié)果可知，該劑量計與商業(yè)化的膠片劑量計所測得的劑量場空間分布具有很好的一致性。
圖 2 高靈敏性的水凝膠光子晶體輻射劑量計在臨床放療設(shè)備上的響應(yīng)性能
研究團(tuán)隊將3D打印技術(shù)與上述技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了水凝膠光子晶體劑量計的三維化，相關(guān)研究結(jié)果見圖 3。如圖 3A所示，采用基于文獻(xiàn)報道合成的高帶電彈性納米粒子(HENPs)形成膠體組裝體，其結(jié)構(gòu)顏色由靜電排斥力誘導(dǎo)組裝體產(chǎn)生，通過改變HENPs的質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)可以改變其結(jié)構(gòu)顏色。在對其進(jìn)行甲基丙烯酰化改性后，可發(fā)現(xiàn)該劑量材料具有很高的輻射靈敏度，同時有著優(yōu)于 30 μm的空間分辨率，并能夠檢測復(fù)雜的 3D 地形劑量分布，用于臨床輻射劑量驗證。通過固體含量和丙烯酸酯改性程度，可以調(diào)整劑量計由輻射誘導(dǎo)的聚合物交聯(lián)程度，及其結(jié)構(gòu)色反射峰波長的響應(yīng)靈敏度。快速讀數(shù)、低劑量響應(yīng)、高空間分辨率和良好的環(huán)境穩(wěn)定性的結(jié)合凸顯了該技術(shù)在臨床放射治療應(yīng)用中的地形劑量映射的轉(zhuǎn)化潛力。
研究得到了國家重點研發(fā)計劃，江蘇省自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、國防科技工業(yè)核能技術(shù)創(chuàng)新中心基金、南京航空航天大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項基金及南航空航天大學(xué)研究生科研與實踐創(chuàng)新項目的資助。
圖 3 3D打印的光子晶體水凝膠劑量響應(yīng)材料及其性能
