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May 09, 2024

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Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 22532 (2022) Cita este artículo 1648 Accesos 7 Detalles de Altmetric Metrics En instituciones médicas, el blindaje radiológico es una estrategia eficaz para proteger

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 22532 (2022) Citar este artículo

1648 Accesos

7 altmétrico

Detalles de métricas

En las instituciones médicas, el blindaje radiológico es una estrategia eficaz para proteger al personal médico y a los pacientes de la exposición. Reducir el peso del escudo que lleva el personal médico en el área generadora de radiación juega un papel clave en la mejora de su productividad y movilidad. En este estudio, se desarrolló un nuevo escudo de radiación liviano mediante electrohilado de un material compuesto de polímero y tungsteno para producir nanofibras con una estructura de película delgada de múltiples capas similar a la del ala de una mariposa morfo. El escudo fabricado tenía la forma de papel protector flexible de 0,1 mm de espesor. La estructura multicapa del fino papel protector se obtuvo mediante la formación de patrones de nanofibras mediante electrohilado de una dispersión de partículas de tungsteno. Con un espesor de 0,1 mm, la tasa de blindaje del papel fue del 64,88% a 60 keV. Además, con 0,3 mm de espesor y dispuesto en una estructura laminada, la tasa de blindaje fue del 90,10% y el equivalente de plomo fue de 0,296 mmPb. Cuando se utiliza como material para delantales, el peso se puede reducir en un 45 % en comparación con los productos de plomo existentes. Además, el material es altamente procesable y puede usarse para fabricar diversos productos flexibles, como gorros, guantes, ropa interior y bufandas utilizados en instituciones médicas.

La radiografía es una tecnología médica que transmite rayos X a través del cuerpo humano y utiliza la diferencia en la densidad de sustancias en el cuerpo humano para obtener imágenes de estructuras anatómicas1. La penetración de los rayos X es limitada cuando la densidad del tejido es alta, mientras que los tejidos con densidad relativamente baja pueden penetrar fácilmente2. Por tanto, cuanto mayor sea la densidad del escudo, más ventajoso puede resultar para la protección radiológica.

Se han desarrollado radiaciones artificiales, como los rayos X, para tecnologías médicas e industriales. Sin embargo, debido al uso cada vez mayor de dispositivos médicos, la población en general y los trabajadores médicos e industriales están sujetos a una mayor exposición a la radiación3. Por lo tanto, se requiere tecnología de defensa activa contra la radiación para reducir la exposición. Además, el uso de dispositivos móviles de rayos X ha aumentado debido a la reciente pandemia de COVID-194. La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) especifica que la radiación utilizada en el campo médico debe utilizarse en beneficio de los pacientes y debe optimizarse5.

La tecnología de escudo radiológico utilizada en instituciones médicas está asociada con el tiempo y la distancia6. Como escudos de rayos X se utilizan generalmente placas o láminas de plomo hechas de polvo de plomo y un polímero, como el caucho. Sin embargo, debido a su toxicidad, el plomo plantea problemas de envenenamiento y eliminación. Por ello, los escudos utilizados en instituciones médicas se fabrican cada vez más con materiales sin plomo8. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos, suministros e instalaciones médicos que utilizan radiación todavía utilizan plomo como material de protección. Por lo tanto, para superar este problema, se debe ampliar el uso de materiales sin plomo, baratos y ecológicos, con un rendimiento de blindaje equivalente al del plomo.

Materiales como el tungsteno, el óxido de bismuto, el sulfato de bario y el boro se suelen utilizar como alternativas al plomo9. Teniendo en cuenta el rendimiento del blindaje, el tungsteno es el material de blindaje ecológico más útil. En general, los materiales de blindaje de reemplazo de plomo no deben ser tóxicos y tener flexibilidad y procesabilidad. Además, los materiales deberían proponerse como un material que tenga una excelente afinidad con el polímero a mezclar o como un material capaz de reducir el peso a la hora de fabricar un escudo. Los tipos de escudos que se pueden producir con estos materiales de blindaje incluyen placas, fibras y láminas, y es posible prensar o moldear por inyección en la forma deseada dependiendo de la tecnología del proceso.

Se teje una protección de tipo fibra a partir de un hilo impregnado con el material de protección. Sin embargo, el rendimiento de protección está limitado por los poros generados entre el hilo durante el proceso de tejido. Por lo tanto, los escudos a base de fibra se utilizan principalmente para proteger contra la radiación secundaria (o dispersa)10. Un escudo en forma de lámina se fabrica mezclando un polímero y un material de blindaje, que se comprime hasta alcanzar el espesor requerido. El elemento más importante de este proceso es la dispersión uniforme del material de protección. El proceso de dispersión del material de protección afecta la reproducibilidad del rendimiento del blindaje y es difícil de aplicar a la producción en masa sin la estandarización del proceso de producción11.

El escudo en forma de placa de un solo componente comprende el 100% del material de blindaje y se fabrica mediante el proceso de laminación. Cuando se selecciona tungsteno como material de protección durante la fabricación de placas de un solo componente, la procesabilidad de la producción es baja debido a su alto punto de fusión12. Por lo tanto, la elección del material de apantallamiento para placas de blindaje de un solo componente es limitada. En los últimos años, la flexibilidad de las placas se ha obtenido mediante el uso de materiales compuestos y la placa fabricada de esta manera se ha utilizado ampliamente como material para aplicaciones como paredes de protección13. Los materiales para otras aplicaciones de protectores, como bloques, protectores de jeringas y aberturas utilizadas en instituciones médicas, se fabrican mediante moldeo por inyección mezclando un material de protección y un polímero14. La miscibilidad de las partículas metálicas con el polímero es un factor crucial que afecta la procesabilidad y el rendimiento de protección de los materiales compuestos.

Un delantal es un escudo de rayos X representativo de una institución médica, que se fabrica en forma de ropa y lo usan el personal médico y los trabajadores. Por lo tanto, debe fabricarse en una forma delgada y liviana para garantizar la movilidad sin restricciones del usuario. El delantal de protección contra rayos X actualmente disponible supone una carga física para quien lo lleva puesto, ya que pesa entre 2,85 y 3,15 kg para un producto con un equivalente de plomo de 0,25 mmPb15. La reducción de peso de la prenda protectora puede estar limitada porque está directamente relacionada con la densidad y masa del material protector. Aunque la movilidad del usuario puede mejorarse reduciendo el espesor de la lámina, esto reduciría el rendimiento del blindaje. Un método para mejorar el rendimiento del blindaje es la dispersión controlada del material de blindaje. La atenuación de la energía de rayos X incidente se produce por su interacción con partículas del material de protección, que puede incrementarse permitiendo que la radiación interactúe con un mayor número de partículas16. Por lo tanto, la tecnología de dispersión de partículas del material de protección es el factor más crucial en términos de rendimiento de protección, reducción de peso y reproducibilidad del rendimiento de protección, especialmente para las estructuras compuestas de capa delgada.

En la naturaleza se encuentran varios tipos de estructuras compuestas inusuales. Las alas de la mariposa morfo están compuestas de películas delgadas multicapa de tamaño micro y muestran una disposición regular. Debido a la estructura única de la superficie, sólo se refleja la luz azul y las alas de la mariposa aparecen azules17. Las arrugas se pliegan en los pilares izquierdo y derecho con un intervalo de aproximadamente 700 nm y una altura de 2 μm, y el intervalo entre las arrugas superior e inferior es de aproximadamente 200 nm18. En este estudio se utilizó la estructura de las alas de las mariposas como modelo para la dispersión de partículas en un escudo de rayos X. El patrón se completó mediante superposiciones repetidas, similar a las tejas utilizadas para el techo de un edificio coreano. Además, para mantener la reproducibilidad de este patrón, se utilizó el método de electrohilado para aplicar la misma cantidad de material de protección en el mismo lugar. El material de protección eran partículas de polvo de tungsteno ecológicas. Aunque el tungsteno tiene un número atómico de 74 y una densidad superior a la del plomo (19,25 g cm-3), es posible reducir el peso reduciendo el espesor del escudo19. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo evaluar el rendimiento de protección de un escudo con un patrón similar a las alas de una mariposa basado en estos materiales.

Además, este estudio tiene como objetivo mejorar el rendimiento del blindaje haciendo que el papel de protección contra la radiación sea lo más delgado posible para que pueda usarse en una estructura de múltiples capas e induciendo la interacción con la radiación de partículas. El papel protector producido se puede utilizar en una estructura laminada flexible debido a su espesor reducido. Por lo tanto, este estudio informa sobre una nueva tecnología de radiación médica para fabricar papeles protectores delgados utilizando la estructura del ala de mariposa morfo. Además, el método propuesto se puede utilizar para producir en masa el papel ligero de protección contra la radiación y mejorar la seguridad de los trabajadores médicos.

Se debe aumentar la radiación. La tecnología de dispersión de partículas del material de protección puede mejorar el rendimiento del blindaje al aumentar estas interacciones. Por lo tanto, para un medio compuesto de polímero y partículas de tungsteno, la reducción en la intensidad de la energía incidente por su interacción con una masa por unidad de área del material de protección se puede calcular mediante la ecuación de Beer-Lambert20:

donde \({I}_{0}\) es la intensidad del fotón incidente, \(I\) es la intensidad del fotón atenuado, \(\rho \) (g cm−3) es la densidad y \(\mu \)(cm−1) y \({\mu }_{m}\)(cm2 g−1) son los coeficientes de atenuación lineal y de masa, respectivamente. El espesor del escudo, \(d\)(cm), corresponde a la distancia a la que el rayo incidente interactúa con las partículas del material de blindaje. Por lo tanto, \({d}_{m}\) (g cm−2) es la masa por unidad de área del papel protector, y cuando se calcula como el espesor del protector, se puede expresar como las ecuaciones. (2), (3):

donde \({W}_{i}\) es la relación de peso del \(i\)ésimo componente21. Esto implica que la cantidad de materiales de protección en el escudo contra la radiación debe ser mayor para aumentar la masa por unidad de área. Por lo tanto, para mejorar el efecto de protección con un aumento mínimo de masa, se debe aumentar el área unitaria del material de protección. El área de la sección transversal atómica total \({\sigma }_{a}\)(cm2 g−1) del papel protector se puede estimar utilizando el coeficiente de atenuación de masa. Calculando el número de átomos, la densidad electrónica se puede obtener como:

donde \({N}_{A}\) es la constante de Avogadro. Por tanto, el área de la sección transversal del electrón se puede obtener como:

donde \({Z}_{i}\), \({f}_{i}\), \(({\mu }_{m}{)}_{i}\), y \({ A}_{i}\) son el número atómico, la fracción molar, el coeficiente de atenuación de masa y el peso atómico del iésimo componente, respectivamente22.

Para aumentar la dispersabilidad de las partículas del material protector, se aplicó una nueva estructura de dispersión para producir el papel protector. La dispersión del material de protección se llevó a cabo para ampliar el área de la sección transversal atómica total, y se seleccionó la estructura del ala de mariposa morfo como el modelo más eficaz. La Figura 1 muestra esquemáticamente el uso de la estructura multicapa del ala de la mariposa morfo como protección contra rayos X.

Vista ampliada del ala de una mariposa morfo y su aplicación a la protección contra rayos X.

Como se muestra en la Fig. 2, la superficie de las alas de la mariposa morfo se superpone y, cuando se ve desde la sección transversal, se puede ver que tiene una estructura de película delgada de múltiples capas. Estructuralmente, el espesor, el índice de refracción del ala y la periodicidad de la rejilla están diseñados para reflejar únicamente la longitud de onda azul23.

Estructura ampliada del ala de la mariposa morfo.

Los rayos X utilizados en instituciones médicas tienen las características de baja rotación y son muy rectos. Por lo tanto, si están protegidos con un escudo multicapa similar a la estructura del ala de una mariposa morfo, el área de la sección transversal de la unidad de colisión de fotones se puede ampliar y se espera que aumente el efecto de blindaje. Por lo tanto, debido a que se puede implementar el mismo patrón a través de nanofibras, siempre que se pueda injertar un material protector de tungsteno en dicha estructura, se puede usar dispersión estructural para mejorar el rendimiento del blindaje.

La estructura de blindaje propuesta contiene dos materiales constituyentes, tungsteno y poliuretano. Como material de protección, se utilizó tungsteno en polvo (tungsteno, W, 99,9%, <4 µm, NanGong XinDun Alloys Spraying Co. Ltd., China). El polvo de tungsteno se trituró durante 5 min y luego se secó en una estufa a 60 °C durante 24 h para controlar el tamaño de partícula. El polímero utilizado con tungsteno fue poliuretano (PU, P-7195A, MW 100 000–150 000, Songwon, Corea) que se secó en las mismas condiciones que el tungsteno. Se usó N-dimetilformamida (DMF, 99,5%, Daejung, Corea) como disolvente para disolver el polímero. Se utilizaron dos disolventes para preparar el papel protector; Se usó cloroformo (95%, Duksan, Corea) como un solvente pobre para controlar la tasa de volatilización del solvente y DMF para disolver el polímero. El método de preparación de la solución de hilado se muestra en la Fig. 3. Primero, se colocó el tungsteno en una botella de vidrio de 20 ml. Posteriormente se agregaron 5.165 g de DMF y 2.785 g de cloroformo, se dispersaron durante 1 min con un molino ultrasónico y se mezclaron usando un agitador magnético (Laboratory agitador/placa caliente, PC-420, Corning, México) a 600 rpm. Además, se añadieron 2,05 g de PU y, después de 10 min, se redujo la velocidad del agitador a 220 rpm y se continuó la mezcla durante 12 h o más hasta que el polímero se disolvió completamente y se centrifugó.

Preparación de la solución de hilatura utilizada para la producción de papel protector de película delgada.

Para aumentar el poder de dispersión del material de protección, el electrohilado se mantuvo a 10 kV controlando el voltaje con una fuente de alimentación de alto voltaje (CPS-60K02VIT, Chungpa EMT Co., Corea del Sur), como se muestra en la Fig. 4. Además , la velocidad de giro se ajustó de modo que el caudal de una bomba de jeringa (bomba de jeringa, KDS100, SD Scientific Inc., Holliston, EE. UU.) fuera de 1,0 ml h − 1. En este proceso, debido a que la capacidad y la distancia de recolección de la jeringa Para afectar la formación del patrón de nanofibras debido al peso de las partículas de tungsteno, la jeringa se movió repetidamente para formar el patrón de nanofibras.

Método de electrohilado para aumentar el poder de dispersión del material de protección.

Para reproducir la estructura multicapa del ala de una mariposa morfo, se aplicó una técnica de electrogiro que mantenía la misma direccionalidad. En general, las esteras de nanofibras se producen distribuyendo irregularmente las nanofibras sin una dirección fija durante el paso de recolección24,25. Sin embargo, si se fabrica una nanofibra que tiene una estructura de patrón en una dirección determinada y regular, los errores resultantes de la estructura de patrón irregular se pueden reducir cuando la radiación pasa a través del patrón interno de la nanofibra26,27. Además, si se aplica un patrón de nanofibras regular, la compacidad dentro del escudo se puede aumentar con la misma cantidad de material de blindaje. Como se muestra en la Fig. 5, se encontró que la estructura del ala de mariposa (Fig. 5a) y la estructura del patrón de polímero (Fig. 5b) coincidían.

Electrohilado del material de protección para aumentar su poder de dispersión. (a) Imágenes ampliadas del ala de una mariposa morfo, y (b) resultado de implementar el mismo patrón mediante electrogiro.

Las condiciones finales de dispersión del material de protección se muestran en la Tabla 1. El electrohilado se realizó manteniendo la distancia entre la aguja y la placa colectora entre 13 y 15 cm, la humedad entre 25 y 40% y la temperatura entre 22 y 25 °C. Además, se electrohilaron 10 ml de la solución de electrohilado a intervalos de 1 hora de 1 ml cada uno. Debido al peso de las partículas de tungsteno en el material compuesto fabricado, cuanto más corto sea el tiempo de electrohilado después de la agitación, mejor será la dispersión.

Además, el papel de nanofibras se sometió a un proceso de postratamiento tres veces durante 10 s utilizando una prensa térmica (heating press, DHP-2, Dad Heung Science, Corea del Sur) a una temperatura de 40 °C y una presión de 3000 psi. Este proceso se repitió cinco veces para obtener una hoja de papel protector de película delgada con un espesor de 0,1 mm. El papel protector de película delgada preparado se observó con un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM; S-4800, Hitachi, Japón) para analizar el grado de dispersión28. Se utilizaron dos criterios diferentes para la observación, es decir, qué tan bien se dispersaron las partículas del material protector y qué tan cerca estaba el patrón del polímero de la estructura del ala de la mariposa morfo.

La evaluación del rendimiento de protección del papel protector se basó en las condiciones geométricas que se muestran en la Fig. 629. La radiación médica utilizada en este experimento se convirtió en una energía efectiva, que es una energía única. Por lo tanto, para medir la capa de valor medio (HVL), la pendiente se calculó a partir de la ley del coeficiente de atenuación (\(I={I}_{0}{e}^{-\mu x}\)), y la El coeficiente de atenuación lineal \(\mu \) se obtuvo a partir de esta pendiente, que posteriormente se calculó a partir del HVL como 0,693/μ30. Además, se utilizó la tabla de coeficientes de atenuación de masa de Hubbell para calcular la energía efectiva que tiene el mismo valor que el HVL correspondiente a la energía única del HVL obtenida anteriormente31. La tasa de protección del papel protector se calculó como \((1-\frac{W}{{W}_{0}})\times 100\)32, donde \(W\) y \({W}_ {0}\) son las dosis medidas con y sin papel protector entre el tubo de rayos X y el dosímetro, respectivamente. Además, para este propósito se utilizó el promedio de 10 mediciones realizadas con un generador de rayos X (Toshiba E7239, 150 kV–500 mA, 1999, Japón). El detector de dosis utilizó una cámara de iones (Modelo PM-30, 2019, EE. UU.). Además, para medir con precisión el dosímetro ionizante se utilizó el factor de corrección de temperatura y presión atmosférica después de confirmar que era 1,0 a una temperatura de laboratorio de 22 °C y 1 atm33.

Configuración experimental para evaluar el rendimiento de protección del papel de protección.

El papel protector de película delgada producido se fabricó mediante el mismo proceso que el método de fabricación de esteras de nanofibras. Sobre la base del informe de que el efecto de absorción de la radiación aumenta cuando el patrón de nanofibras construidas dentro del papel protector tiene una cierta direccionalidad, la estructura del patrón de las nanofibras se configuró para que fuera la misma que la de la estructura del ala de la mariposa morfo a través de El proceso de electrohilado. De esta manera, se puede ampliar el área de la sección transversal donde pueden interactuar la radiación y las partículas del material de protección y se puede mejorar la densidad de la protección.

La Figura 7 muestra las micrografías electrónicas del papel electrohilado con la misma estructura multicapa que el ala de una mariposa morfo. Como se muestra en la Fig. 7, el patrón de la sección transversal del papel protector era similar a la estructura del ala de la mariposa morfo. El patrón multicapa del papel protector se hiló en una estructura multicapa uniforme controlando la direccionalidad durante el electrohilado.

Micrografías electrónicas de (a) el ala de una mariposa morfo y (b) el papel electrohilado.

La microestructura del papel protector se muestra en la Fig. 8. Se encontró que la direccionalidad de las nanofibras se cruzan entre sí. Las esteras de nanofibras preparadas antes que contenían tungsteno se implementaron repetidamente en forma de cruz entre sí como una tela tejida.

Microestructura final de las nanofibras electrohiladas.

El espesor del papel protector flexible, como se muestra en la Fig. 9, fue de 0,1 mm. Las características físicas del papel protector se enumeran en la Tabla 2.

La apariencia del papel protector (a) muestra la flexibilidad del papel protector, (b) la apariencia del papel protector fabricado.

En cuanto al patrón implementado con nanofibras, en general, cuanto más compleja es la estructura, más aumenta la pérdida de nanofibras, por lo que puede resultar difícil implementar el patrón en la forma deseada. Sin embargo, en este estudio, la distancia de giro se controló utilizando el peso de las partículas de metal de tungsteno. La Figura 10 muestra que las partículas de tungsteno se unieron al extremo de la superficie de la fibra debido al peso de las partículas, formando así una forma de múltiples capas. Cuando las partículas de tungsteno se sometieron al tratamiento de termocompresión en el proceso final, se puede confirmar que se mejoró la miscibilidad de las nanofibras y el tungsteno, de modo que las partículas de tungsteno se dispersaron uniformemente. La densidad llegó a 2,463 g cm-3 y por unidad de área fue de 0,641 kg m-2.

Micrografías electrónicas transversales del papel protector.

El rendimiento de protección del papel protector fabricado se comparó con el de un protector de plomo de 0,25 mm. Para ello, se varió el número de capas del papel protector de una a tres y se tomaron imágenes de una mano fantasma mediante rayos X. La Tabla 3 enumera el rendimiento del blindaje de muestras de plomo estándar de 0,1 a 0,3 mm (pureza del 99,9%). Para radiación de baja energía, 0,3 mmPb mostró la mayor eficiencia de blindaje del 99%.

Teniendo en cuenta que el plomo utilizado en los delantales de protección contra rayos X en instituciones médicas es de 0,25 mmPb, el rendimiento de protección del papel de protección desarrollado en este estudio se comparó con el de una placa de plomo de 0,25 mm y los resultados se muestran en la Tabla 4. Se apilaron tres hojas para obtener un papel protector de 0,3 mm de espesor. Los rendimientos de protección de la placa de plomo de 0,25 mm y del papel de protección apilado fueron diferentes en aproximadamente un 2% para todas las energías de rayos X efectivas. La Tabla 5 enumera el rendimiento de protección de los papeles de protección de una, dos y tres capas. Al igual que en el experimento anterior, el rendimiento de protección del papel protector de tres capas fue equivalente al de 0,296 mmPb.

Para verificar visualmente el efecto de protección, se comparan los resultados de las imágenes de rayos X de la hoja de plomo y el papel de protección, como se muestra en la Fig. 11, utilizando un fantasma de mano con el mismo coeficiente de absorción que el del cuerpo humano. Como se desprende de la Fig. 11, el rendimiento de protección del papel protector de tres capas es similar al de 0,25 mmPb, lo que indica que se puede utilizar como protección para aplicaciones médicas.

Imágenes de rayos X de una mano fantasma cubierta con (a) un papel protector, (b) dos papeles protectores, (c) tres papeles protectores y (d) una placa de plomo de 0,25 mm. (e) Condición de rayos X fantasma.

El blindaje radiológico de las instituciones médicas debe dar prioridad a garantizar la seguridad de la exposición de los pacientes y el personal médico. Sin embargo, el producto de protección proporcionado actualmente crea dificultades en la actividad del usuario debido a su peso. Por lo tanto, es necesario desarrollar un producto que sea ligero y respetuoso con el medio ambiente. Se han realizado varios intentos para aumentar la densidad de los materiales de protección manteniendo al mismo tiempo el mismo rendimiento de protección para la misma área del escudo34. Superar el límite de masa es un desafío porque el número atómico del material de protección debe ser alto. Sin embargo, el grosor del escudo se puede controlar mediante la tecnología de dispersión de partículas y el proceso de fabricación, y esto puede resolver el problema del peso hasta cierto punto.

En este estudio, se investigó una tecnología de dispersión de material de protección que maximiza la interacción entre partículas y radiación. Cuando las partículas dispersas interactuaron con la radiación incidente o cuando la energía transmitida se atenuó debido a la alta densidad del escudo, la intensidad de la energía incidente se atenuó35. Este estudio se inspiró en la estructura de las alas de la mariposa morfo y se realizó con la expectativa de que el efecto de protección sería mayor que el del escudo tipo lámina existente si las partículas de tungsteno se dispersaran dentro de la estructura. Si se utiliza un material compuesto, uno que mezcla partículas de material de protección con un polímero, al fabricar una protección, existe un límite para el control del espesor de la protección. El factor más importante para el control del espesor es la miscibilidad del polímero y las partículas del material de protección. La mala miscibilidad da como resultado que los materiales poliméricos y de protección se agreguen, lo que dificulta el control del espesor y la uniformidad de la protección36. En este estudio se utilizó la tecnología de electrohilado como forma de resolver estos problemas y se confirmó el efecto de blindaje según el patrón de radiación. Por lo tanto, el método de dispersión de partículas de tungsteno existente se combinó con una nueva tecnología para reducir el espesor del escudo y mejorar el efecto de blindaje.

La producción de láminas de protección es el proceso más básico en la fabricación de un delantal de protección, y el contenido del material de protección es aproximadamente del 80 al 85 % en peso cuando se fabrica con una lámina de 0,25 mm basada en equivalente de plomo37. Además, cuando el contenido es superior al valor antes mencionado, se produce un problema en la resistencia a la tracción de la lámina. Por lo tanto, el espesor fabricado se mantiene aproximadamente entre 0,3 y 0,5 mm. El peso es aproximadamente de 2,80 a 2,914 kg m-2 y el contenido del material de protección es generalmente proporcional al peso de la lámina. En este proceso de fabricación de láminas, la dispersión uniforme de las partículas de material de protección es difícil porque las partículas no están dispuestas uniformemente durante el proceso de agitación del material polimérico y el material de protección. El peso de una sola hoja de papel protector fabricada en este estudio fue de 0,641 kg m-2 y, cuando se apiló con tres hojas, fue de 1,923 kg m-2. Esto implica que 1 m2 de papel protector, necesario para fabricar un delantal, pesaría alrededor de 2 kg. Por lo tanto, en comparación con los delantales existentes, el peso de un delantal, cuando se fabrica con el papel desarrollado, se puede reducir en aproximadamente 1 kg y puede mejorar aún más la movilidad del usuario.

Se puede lograr una mayor reducción del espesor de la ropa protectora utilizando partículas protectoras de tamaño nanométrico. Sin embargo, la fabricación de fibras protectoras utilizando nanopartículas es ineficiente en términos de coste y tiene limitaciones en el procesamiento del material, lo que dificulta la producción en masa38. Cuando las nanopartículas de material de protección se mezclan con materiales a base de caucho de alta densidad, pueden contener hasta un 90% en peso del material de protección. Sin embargo, existe un límite para reducir el peso del escudo debido al alto contenido del material de blindaje. Además, cuando la protección se fabrica usando un proceso de compresión, se puede reducir el espesor de la protección, pero como la protección se fabrica en forma de película, existe un problema de flexibilidad. Por lo tanto, para garantizar el rendimiento del blindaje, es necesario desarrollar tecnologías de producción en masa teniendo en cuenta la flexibilidad, la resistencia a la tracción, el peso y la durabilidad del blindaje39.

En el proceso presentado en este estudio, se mezclaron partículas de tungsteno y materiales poliméricos y se realizó electrohilado a través de una jeringa. Si esta tecnología de proceso se realiza instalando una gran cantidad de jeringas, todas las muestras pueden obtener el mismo efecto de protección, por lo que se puede garantizar la producción en masa de protección y la reproducibilidad del rendimiento de protección. Además, es eficaz en términos económicos, ya que puede utilizar partículas de material de protección de tamaño micro en lugar de partículas de tamaño nanométrico.

Como se mencionó anteriormente, el rendimiento de protección del papel se puede controlar manipulando su espesor y su densidad se puede controlar cambiando la temperatura y la presión (es decir, las condiciones de hilado). Sin embargo, si se aplica presión y temperatura excesivas para mejorar el efecto de protección, la protección puede perder su flexibilidad. Además, el contenido del material de protección se puede aumentar durante el proceso de fabricación de la protección, pero se requiere una técnica delicada porque se produce una diferencia en la densidad de la protección dependiendo de la distancia a la que se hace girar la solución de hilatura. En particular, cuando se producen escudos en masa, diseñar estas condiciones es más importante para reproducir el mismo rendimiento de blindaje.

Controlando las condiciones de procesamiento se puede producir una variedad de estructuras adecuadas para diferentes aplicaciones. El papel protector también se puede utilizar como prenda protectora contra la radiación médica indirecta (radiación dispersa) a una distancia de 1,5 m de la fuente de radiación. Además, este material podría utilizarse para fabricar productos médicos como guantes quirúrgicos40. Cuando se utiliza como protección contra la radiación de dosis bajas, menos de 100 mSv, el papel protector podría ser eficaz para proteger al personal médico y a los pacientes41. Si se utiliza un material de protección distinto del tungsteno, se puede contribuir al desarrollo de productos de protección contra la radiación cósmica necesarios para la vida diaria, como ropa protectora para la tripulación y gorros para el blindaje de la aviación. El grosor y el peso del escudo son factores importantes para proteger la radiación cósmica. Los resultados muestran que el material desarrollado utilizando el proceso propuesto exhibiría un comportamiento de protección efectivo. Por lo tanto, la producción de diversas prendas protectoras que garanticen la actividad del usuario es posible con la tecnología de proceso presentada en este estudio.

Para reducir el peso del escudo contra la radiación utilizado en las instituciones médicas, se fabricó un papel protector a partir de nanofibras con un patrón de alas de mariposa morfo. Cuando las partículas del material de protección se dispersan en un patrón de múltiples capas, el espesor de la protección se puede reducir mientras se aumenta el área de la sección transversal de colisión de fotones, de modo que la intensidad de la radiación de las partículas se puede atenuar de manera efectiva. En comparación con la lámina utilizada como material para el delantal existente, el peso del papel protector fabricado en este estudio se redujo en aproximadamente un 45%. Además, el rendimiento de protección de una pila de tres hojas de papel protector (grosor combinado = 0,3 mm) fue similar al obtenido mediante el uso de una hoja de plomo del mismo espesor. Por lo tanto, el papel protector fabricado mediante el proceso de este estudio podría usarse para desarrollar diversos escudos livianos y trajes de protección para instituciones médicas.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado (y sus archivos de información complementaria).

Schofield, R. y col. Reconstrucción de imágenes: Parte 1: Comprensión de la retroproyección filtrada, el ruido y la adquisición de imágenes. J. Cardiovasc. Computadora. Tomogr. 14, 219–225. https://doi.org/10.1016/j.jcct.2019.04.008 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Maghrabi, HA, Vijayan, A., Deb, P. & Wang, L. Tejidos recubiertos de óxido de bismuto para protección contra rayos X. Texto. Res. J. 86, 649–658. https://doi.org/10.1177/0040517515592809 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Masjedi, H. y col. Tendencias europeas en radiología: investigación de factores que afectan el número de exámenes y la dosis efectiva. Radiol. Medicina. 125, 296–305. https://doi.org/10.1007/s11547-019-01109-6 (2020).

Artículo de Google Scholar

Vidal, PL, de Moura, J., Novo, J. & Ortega, M. Aprendizaje por transferencia en múltiples etapas para la segmentación pulmonar mediante dispositivos portátiles de rayos X para pacientes con COVID-19. Sistema experto. Aplica. 173, 114677. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2021.114677 (2021).

Artículo de Google Scholar

Khong, P.-L. et al. Publicación ICRP 121: protección radiológica en radiología intervencionista y diagnóstica pediátrica. Ana. CIPR 42, 1–63. https://doi.org/10.1016/j.icrp.2012.10.001 (2013).

Artículo de Google Scholar

Çelen, YY & Evcin, A. Síntesis y caracterizaciones de magnetita-boroyeso para protección contra la radiación. Emergente. Madre. Res. 9, 770–775. https://doi.org/10.1680/jemmr.20.00098 (2020).

Artículo de Google Scholar

Kim, Y., Park, S. y Seo, Y. Capacidad mejorada de protección contra rayos X de compuestos metálicos de polímero sin plomo mediante estructuración multicapa. Ing. de Indiana. Química. Res. 54, 5968–5973. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b00425 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

AbuAlRoos, Nueva Jersey, Amin, NAB y Zainon, R. Materiales de protección contra la radiación sin plomo nuevos y convencionales para la protección radiológica en medicina nuclear: una revisión. Radiación. Física. Química. 165, 108439. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2019.108439 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

AbuAlRoos, Nueva Jersey, Azman, MN, Amin, NAB y Zainon, R. Material a base de tungsteno como nuevo y prometedor material de protección contra la radiación gamma sin plomo en medicina nuclear. Física. Medicina. 78, 48–57. https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2020.08.017 (2020).

Artículo de Google Scholar

Iwamiya, Y., Kawai, M. Tela recubierta de tungsteno para protección contra la radiación fabricada con la técnica de recubrimiento SilicaTech®. En Actas del 14º Taller Internacional sobre Tecnología de Materiales de Espalación, vol. 28, 051004. https://doi.org/10.7566/JPSCP.28.051004 (2020).

Dejangah, M., Ghojavand, M., Poursalehi, R. & Gholipour, PR Atenuación de rayos X y propiedades mecánicas de nanocompuestos de caucho de tungsteno-silicona. Madre. Res. Expresar. 6, 085045. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab1a89 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Yang, G. y col. Efecto de los parámetros de procesamiento sobre la densidad, microestructura y resistencia del tungsteno puro fabricado mediante fusión selectiva por haz de electrones. En t. J. Refractar. Reunió. Materia dura. 84, 105040. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.105040 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Geovanni, C. y col. Comportamiento de protección contra rayos X y rayos gamma de bloques de hormigón. Núcleo. Ing. Tecnología. 52, 1792–1797. https://doi.org/10.1016/j.net.2020.01.007 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Parvaresh, R. y col. Evaluaciones para la determinación de escudos óptimos en medicina nuclear. J. Biomed. Física. Ing. 10, 651–658. https://doi.org/10.31661/jbpe.v0i0.1118 (2020).

Artículo de Google Scholar

Çetin, H., Yurt, A. & Yüksel, SH Las propiedades de absorción de prendas sin plomo para uso en protección radiológica. Radiación. Prot. Dosim. 173, 345–350. https://doi.org/10.1093/rpd/ncw004 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Al-Buriahi, MS, Sriwunkum, C., Arslan, H., Tonguc, BT y Bourham, MA Investigación de vidrios de borato de bario para aplicaciones de protección contra la radiación. Aplica. Física. R. 126, 1–9. https://doi.org/10.1007/s00339-019-3254-9 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Zhu, M. y col. Una estrategia general hacia la replicación controlable de alas de mariposa para una fotocatálisis luminosa robusta. J. Mater. Ciencia. Tecnología. (Shenyang China) 105, 286–292. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.07.035 (2022).

Artículo de Google Scholar

Smith, GS Color estructural de las mariposas Morpho. Soy. J. Física. 77, 1010-1019. https://doi.org/10.1119/1.3192768 (2009).

ADS del artículo Google Scholar

Yang, X. Estudios de beneficio de minerales de tungsteno: una revisión. Mín. Ing. 125, 111-119. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2018.06.001 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Kim, HY et al. Estructuración multicapa de compuestos de metal sin plomo (BiSn)/polímero/tungsteno para mejorar el blindaje de rayos γ. Adv. Ing. Madre. 22, 1–7. https://doi.org/10.1002/adem.201901448 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Malekzadeh, R., Mehnati, P., Sooteh, MY y Mesbahi, A. Influencia del tamaño de las nanopartículas y micropartículas y la energía de los fotones en los coeficientes de atenuación de masa de los escudos de bismuto-silicio en radiología de diagnóstico. Radiol. Física. Tecnología. 12, 325–334. https://doi.org/10.1007/s12194-019-00529-3 (2019).

Artículo de Google Scholar

Akça, B. & Erzeneoğlu, SZ Coeficientes de atenuación de masa, secciones transversales electrónicas, atómicas y moleculares, números atómicos efectivos y densidades de electrones para compuestos de algunos elementos biomédicamente importantes a 59,5 keV. Ciencia. Tecnología. Núcleo. Instalar. 2014, 1–8. https://doi.org/10.1155/2014/901465 (2014).

Artículo de Google Scholar

Thomé, M., Richalot, E. y Berthier, S. Guía de luz en estructuras fotónicas de escamas de alas de mariposa Morpho. Aplicación. Física. R. 126, 1-11. https://doi.org/10.1007/s00339-020-03948-x (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Xue, J., Wu, T., Dai, Y. & Xia, Y. Electrohilado y nanofibras electrohiladas: métodos, materiales y aplicaciones. Química. Rev. 119, 5298–5415. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00593 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Gao, H., Wang, C., Yang, Z. y Zhang, Y. Heteroestructura de polianilina/espuma de níquel metálico poroso 3D con excelente capacidad de protección contra interferencias electromagnéticas y absorción superior basada en una estructura conductora macroscópica preconstruida. Compos. Ciencia. Tecnología. 213, 1–7. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108896 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Huang, F.-W., Yang, Q.-C., Jia, L.-C., Yan, D.-X. y Li, Z.-M. Preparación asistida por nanofibras de aramida de películas independientes a base de metal líquido para protección contra interferencias electromagnéticas ultraaltas. Química. Ing. J. 426, 1–7. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131288 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, J. y col. Compuestos conductores de esqueleto-heteroestructura basados ​​en virutas de cromo para mejorar el blindaje contra interferencias electromagnéticas. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 12, 53076–53087. https://doi.org/10.1021/acsami.0c14300 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Alansy, AS et al. Nanohojas de nitruro de boro modificadas con nanopartículas de óxido de zinc como nuevos rellenos de compuestos de resina dental. Mella. Madre. 38, e266–e274. https://doi.org/10.1016/j.dental.2022.08.010 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Asociación de Normas Coreanas. Método de prueba de equivalente de plomo para dispositivos de protección contra rayos X; KSA 4025 (Asociación Coreana de Estándares, 2017).

Kaur, T., Sharma, J. y Singh, T. Evaluación experimental de los parámetros de protección contra rayos gamma para una aleación cuaternaria de Zn-Cd-Sn-Pb. Radiación. Física. Química. 156, 193–198. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2018.11.010 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Hubbell, JH Coeficientes de atenuación de masa de fotones y absorción de energía. En t. Aplica. Radiación. Isot. 33, 1269-1290. https://doi.org/10.1016/0020-708X(82)90248-4 (1982).

Artículo CAS Google Scholar

Pingale, PL Formulación, evaluación de tabletas de rápida disolución de medicamentos contra el VIH como combinación de dosis fija: uso de polvo liofilizado de annona reticulata y comparación con superdesintegrantes sintéticos. J. Farmacéutica. Ciencia. Innovación. 8, 38–41. https://doi.org/10.7897/2277-4572.081124 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Nilsson, I., Himmelman, J., Kahn, J. & Dalmo, J. El potencial de utilizar mediciones de Tld para validar la protección radiológica ocupacional en el departamento de medicina nuclear. Radiante. Prot. Dosim. 195, 355–362. https://doi.org/10.1093/rpd/ncab085 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Halliwell, E., Couch, C., Begum, R., Li, W. y Maqbool, M. Aumento del coeficiente de atenuación lineal mediante el cambio de la estructura cristalina de los materiales para protección contra la radiación y seguridad de dispositivos biomédicos. Surf de coloides. A. 622, 126646. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126646 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Chen, W., Liu, D. & Li, L. Caracterización multiescala de materiales poliméricos semicristalinos mediante radiación sincrotrón, rayos X y dispersión de neutrones. Polimero. Cristal. 2, e10043. https://doi.org/10.1002/pcr2.10043 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Bijanu, A. et al. Compuestos de metal-polímero para protección radiológica: una revisión. J. Polim. Res. 28, 392. https://doi.org/10.1007/s10965-021-02751-3 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Hijo, JS y Kim, S.-C. Mejora de la densidad de los tejidos funcionales para proteger a los trabajadores radiológicos en los departamentos de radiología. Recubrimientos 12, 1142. https://doi.org/10.3390/coatings12081142 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Stavis, SM, Fagan, JA, Stopa, M. & Liddle, JA Fabricación de nanopartículas: heterogeneidad desde los procesos hasta los productos. Aplicación ACS. Nanomadre. 1, 4358–4385. https://doi.org/10.1021/acsanm.8b01239 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Chenhui, W. et al. Fabricación eficaz de cadenas de níquel flexibles/adhesivos sensibles a la presión compuestos de acrilato con estructura en capas para blindaje de interferencias electromagnéticas sintonizables. Adv. Compos. Materia híbrida. 5, 2906–2920. https://doi.org/10.1007/s42114-022-00482-7 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Arkarapol, T. y col. Propiedades mejoradas de protección contra rayos X de los guantes NRL con nano-Bi2O3 y sus propiedades mecánicas en condiciones de envejecimiento. Radiación. Física. Química. 186, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109530 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Hunter, D., Mauldon, E. y Anderson, N. Contención de costos en radioterapia hipofraccionada: una revisión de la literatura. J. Med. Radiación. Ciencia. 65, 148-157. https://doi.org/10.1002/jmrs.273 (2018).

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Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (MEST) (NRF. 2020R1I1A3070451).

Departamento de Ingeniería Biomédica, Facultad de Medicina de la Universidad de Keimyung, Daegu, Corea

Seon-Chil Kim

Departamento de Ingeniería Química, Universidad Keimyung, Daegu, Corea

Hongsik Byun

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SCK diseñó y realizó los experimentos, analizó los datos y editó el manuscrito. HSB diseñó los experimentos y escribió el manuscrito.

Correspondencia a Seon-Chil Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kim, SC., Byun, H. Desarrollo de papel ultrafino de protección contra la radiación mediante modelado de nanofibras de la estructura del ala de la mariposa morfo. Representante científico 12, 22532 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27174-y

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Recibido: 03 de noviembre de 2022

Aceptado: 27 de diciembre de 2022

Publicado: 29 de diciembre de 2022

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

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