HyperAI超神经

X선 영상 기술은 의료 진단, 방위 산업, 핵 기술, 방사선 안전 감지 등 여러 분야에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. 신틸레이터는 X선 기술 응용 분야의 핵심 장치로, 고에너지 X광자를 저에너지 가시광선으로 변환하여 X선 검출 및 이미징을 실현합니다.

현재 대부분의 반짝이는 물질은 고온 조건에서 소성하여 합성되는데, 이는 비용이 많이 들 뿐만 아니라 유연한 기판에 대면적을 제조하는 것도 어렵습니다. 그래서,독성이 낮고, X선에 대한 민감도가 높으며, 유연한 매트릭스로 쉽게 가공할 수 있는 X선 섬광체 소재를 개발하는 것이 이 분야 연구의 초점이자 어려움이 되었습니다.

최근에,허베이 대학 화학부의 장 하이레이 부교수와 물리학부의 양 얀민 교수는 겐트 대학의 리차드 후겐붐 교수와 공동으로 물에 잘 분산되고 X선에 대한 감도가 높은 반짝이는 물질을 개발했습니다. 그들은 또한 물에 분산되는 반짝이는 물질을 사용하여 세 가지 재료를 개발했습니다.- 방사선 발광 특성을 지닌 폴리우레탄 폼 소재, X선 영상에 사용할 수 있는 유연한 하이드로젤 신틸레이터 스크린, 다단계 위조 방지 정보 암호화를 위한 복합 하이드로젤. 관련 결과는 Nature Communications에 게재되었습니다.

논문 링크:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46287-8
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수분산성 X선 섬광체 합성

본 연구의 목적은 수분산성 X선 섬광체를 개발하는 것이다.반짝이는 물질은 납이 없는 X선 반짝이는 물질 나노입자로 변형된 할로이사이트 나노튜브(HNT)를 기반으로 합니다. HNT는 큰 공동, 낮은 밀도, 물에 대한 양호한 분산성을 가지며, 나노튜브가 응집되는 것을 방지하는 외부 표면에 안정적인 음전하를 띠는 천연 나노물질입니다. 한편, HNT는 우수한 생체적합성, 낮은 독성, 높은 안정성, 친수성, 가공성, 낮은 비용과 같은 매력적인 특성을 가지고 있어 복합 재료 제조에 이상적인 후보입니다.

나노결정 Na를 생성하기 위해₅루₉에프₃₂:결핵³⁺, 구연산(CA)은 킬레이트제로 필요합니다. 이 연구에서는 CA를 HNT-NH2(HNT의 아민화 아미노기)의 외부 표면에 결합시켰고, 얻어진 구연산으로 개질된 할로이사이트 나노튜브(HNT-CA)를 철저히 세척하여 나노튜브 표면에 X선 반짝임 물질을 생성하는 데 중요한 전제 조건인 자유 CA가 없는지 확인했습니다.연구 결과, HNTs-CA는 물에 잘 분산되는 것으로 나타났습니다.

HNTs-CA가 성공적으로 준비되었음을 확인한 후,수열 반응기는 X선 섬광체 나노입자를 템플릿으로 성장시키는 데 사용되었으며 HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺.

연구진은 X선 조사를 통해 순수한 HNT, HNT-CA, HNT@Na를 연구했습니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 방출 특성그들의 발광 행동은 완전히 다르다는 것이 밝혀졌습니다.

순수한 HNT와 HNT-CA는 X선 조사 하에서 발광 특성을 나타내지 않았습니다.

HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ RL 스펙트럼은 489, 544, 585, 620 nm의 파장에서 4개의 방출 피크를 가지며, 그 중 544 nm 파장에서의 방출 피크 강도가 다른 방출 피크 강도보다 훨씬 높습니다.따라서 X선 조사 하에서 HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 강한 녹색 형광을 방출합니다.

새로운 유연 복합소재의 개발 및 응용

X선 민감 폴리우레탄 폼(PUF)

폴리우레탄 폼은 널리 사용되는 상업용 폴리머 소재로, 섬유, 가구, 건축 분야에 널리 사용됩니다. 따라서, 조립식 폴리우레탄 폼을 X선 섬광체로 기능화할 수 있다면, X선 섬광 특성을 가진 폴리머 제품을 직접 얻을 수 있습니다.

연구원들은 주사 전자 현미경을 사용하여 원래 PUF와 HNT@Na를 연구했습니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺@PUF 미세구조. PUF는 매끄러운 기공 벽을 가진 열린 기공 구조를 보였습니다.

HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺@PUF의 SEM 이미지에서도 프레임에 손상이 없는 것을 확인할 수 있습니다.결과는 HNTs@Na를 보여줍니다₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ X선 섬광체 흡착이 성공적이었습니다.

코팅의 균일성을 더욱 입증하기 위해 연구원들은 HNT@Na를 무작위로 선택했습니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺PUF 샘플의 5개 지점에서 각 지점의 파장 544nm에서 RL 스펙트럼의 최대 강도를 기록했습니다. 강도값으로부터 얻은 결과의 상대표준편차(RSD) 값은 4.8%로 나타났다.HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ PUF 표면의 코팅은 균일합니다.

단면의 원소 분석은 다음을 보여주었습니다.HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 침투력이 좋습니다. 30일 안정성 시험 결과는 다음과 같습니다. HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺@PUF는 열적 안정성과 광 안정성이 좋습니다.

X선에 노출되면 HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺@PUF는 가시광선인 녹색 빛을 방출할 수 있는데, 이는 X선에 의해 여기된 RL의 방출 스펙트럼과 일치합니다. 또한, 발광 강도는 X선량이 3.1~9.2 cGy s로 증가함에 따라 증가한다.^-1 증가함에 따라 증가했습니다.

연구자들은 HNTs@Na를₅루₉에프₃₂:결핵³⁺@PUF 샘플을 필요한 모양으로 잘라서 흰색 코트에 붙였습니다. HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 이를 에폭시 수지에 첨가하여 투명성이 좋은 눈물방울 모양의 펜던트를 만들었고, 최종적으로 얻어진 소재를 방사선 연구실에 적용했습니다.

실험 결과, 거품 모양의 펜던트와 눈물방울 모양의 펜던트 모두 저선량 엑스선에 반응하여 가시광선 녹색 빛을 방출할 수 있는 것으로 나타났으며, 이는 근접치료에 사용되는 것보다 훨씬 낮은 수준이었습니다.

X선 영상용 유연한 하이드로젤 신틸레이터 스크린

박층크로마토그래피 판(TLCP)은 유기화학에서 일반적으로 사용되는 상업용 소재입니다.

알₂영형₃ CMC-Na와 혼합한 후 유리 슬라이드에 코팅하여 제조했습니다.

HNT의 표면은 주로 Si-O-Si 및 Al-OH 그룹으로 구성되어 있으므로 화학적 특성은 다음과 같습니다.

알₂영형₃ 실리카겔과 유사하게 이 유사성은 연구자들이 HNT@Na를 얻도록 영감을 주었습니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ CMC-Na와 혼합된 고체 X선 신틸레이터 스크린이 개발되었습니다.

연구진은 캡슐 모델과 자체 제작 영상 장비를 사용해 엑스선 영상의 실현 가능성을 입증했습니다. 또한,안정성 테스트 결과 HNT@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 기본 X선 섬광 스크린은 열 안정성과 빛 안정성이 우수합니다.

이전에도 다른 엑스선 신틸레이터를 사용하여 낮은 엑스선량으로 비슷한 고해상도 엑스선 영상이 달성된 적이 있지만, 이번 연구에서 개발된 납이 없는 복합 엑스선 영상 필름은 더 간단한 수중 절차를 통해 제작할 수 있습니다.이는 HNTs@Na를 기반으로 합니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 엑스선 영상 화면은 확장 가능합니다.

연구진은 딱딱한 반짝이는 스크린의 한계를 극복하기 위해 HNT@Na5Lu9F32:Tb3+를 화학적으로 가교된 하이드로젤에 통합하여 유연한 반짝이는 스크린을 제작했습니다. 유연한 반짝이는 스크린은 원하는 모양으로 늘리거나 구부려서 평평하지 않은 물체에 적용할 수 있습니다.

연구자들은 또한 올레산(OA)으로 Na를 변형하려고 시도했습니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ OA@Na의 표면₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 제품을 사용하여 물의 분산성을 향상시킵니다. HNT@Na 함유₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 하이드로젤은 OA@Na5Lu9F32:Tb3+를 함유한 하이드로젤보다 인장 강도가 더 우수했으며, 순수한 하이드로젤보다 더 높은 강도를 보였습니다. 대조적으로,HNT@Na 함유₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 하이드로젤은 OA@Na 기반보다 더 좋을 것입니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 이 제품의 유사체는 X선 섬광 스크린에서 더 나은 적용 잠재력을 가지고 있습니다.

또한, 캡슐 모델을 기반으로,HNT@Na 함유₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 하이드로젤은 또한 엑스선 영상화의 실현 가능성을 보여주었습니다.HNT 표면에 나노신틸레이터를 고정하면 우수한 기계적 특성을 가진 대체 신틸레이터 소재를 개발하기 위한 새로운 아이디어를 얻을 수 있습니다.

다단계 위조 방지 정보 암호화 기능을 갖춘 복합 하이드로젤

자외선, 열, pH 등 외부 자극에 따라 색상이 변할 수 있는 하이드로젤은 정보를 저장하기 위해 제안되었습니다. 그러나 단일 시뮬레이션에서 정보 복호화는 쉽게 해독, 도난 및 위조될 수 있기 때문에 연구진은 X선에 의해 여기된 RL과 광발광(PL)의 다양한 방출 행동을 기반으로 하는 다층 암호화 하이드로젤을 탐색하게 되었습니다. 또한 가벼운 원자로 구성된 일부 유기 물질은 X선에 대한 흡수 능력이 약하여 자외선 하에서만 빛을 방출할 수 있고 X선 하에서는 빛을 방출할 수 없습니다. 이러한 방출 행동의 차이로 인해 연구진은 암호화된 정보가 담긴 하이브리드 하이드로젤에 위조 방지 기술과 다중 레벨 암호화 기술을 통합하게 되었습니다.

연구자들은 세 가지 유형의 하이드로젤을 합성했습니다.* Gel-0은 폴리비닐알코올(PVA)에 대한 가교제로 1,4-페닐디보론산을 사용하여 제조되었으며 다층 하이드로젤을 제조하기 위한 기질로 사용되었습니다. 자외선이나 엑스선에서 형광을 방출하지 않았습니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 하이드로젤(Gel-1)은 문자 모양의 틀을 사용하여 제조하였고, 붕산 기능화 테트라페닐에틸렌(M3)을 사용하여 Gel-1에 3차원 네트워크를 형성하였습니다. Gel-2는 Gel-1과 유사하게 준비되었지만 HNTs@Na를 추가하지 않았습니다.₅루₉에프₃₂:결핵³⁺, 따라서 Gel-2는 광발광 특성만 가지고 있습니다.

Gel-1과 Gel-2는 문자 모양으로 제작되어 정보층을 구성했습니다. 하이드로젤 내의 보로네이트 가교결합과 잠재적인 아릴보론산 잔류물은 자가 치유 특성과 역동적인 교환 행동을 유도하여 개별 하이드로젤 층이 합쳐지게 됩니다.본 연구에서는 암호화된 정보를 담은 샌드위치 형태의 다층 하이드로젤을 설계하는 것을 제안합니다.하이드로젤은 두 개의 바깥쪽 비발광층(Gel-0)과 안쪽 정보층(순서: Gel-0/정보층/Gel-0)으로 구성되었습니다.

그 결과 생성된 다층 하이드로젤은 하이드로젤 층 사이에 탈락이 발생하지 않고 대략 U자 모양으로 접히거나 구부릴 수 있으며, 일반적인 조명 조건에서는 어떠한 정보도 표시할 수 없습니다. 자외선 아래에서는 EHBUT이라는 글자가 빛나며, 아래 사진에서 이를 선명하게 볼 수 있습니다. 두 발광체의 발광 효과에는 차이가 없습니다. 자외선을 통해 식별된 정보는 거짓 정보로 간주됩니다. 암호화된 문자(아래에 HBU 표시)는 엑스레이 검사를 통해서만 읽을 수 있습니다.

또한, 다층 하이드로젤은 정보 유출을 방지하고 위조 및 불량 제품을 퇴치하기 위해 추가적인 보안 암호화 기술을 지원합니다. 다층 하이드로젤은 물리적 조립이 아닌 동적 공유 결합을 기반으로 연결되므로 하이드로젤이 균일하고 3가지 유형의 하이드로젤 구성 요소를 기반으로 보다 복잡한 정보 위장 및 다단계 암호화로 프로그래밍할 수 있습니다. 더욱이, 얻어진 다층 하이드로젤에 존재하는 동적 공유 결합도 잠재적인 자가 치유 특성에 기여합니다.

요약하면, 연구 결과는 다음과 같습니다.HNTs@Na₅루₉에프₃₂:결핵³⁺ 나노크리스털은 수용액 분산액으로 쉽게 가공할 수 있는 고효율 X선 반짝임체입니다.X선에 민감한 방사선 불투과성 기질, 코팅 및 하이드로젤을 개발하는 데 사용됩니다. 동시에 이 연구는 점토 기반 나노물질이 기능성 나노입자를 지지하는 데 활용될 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.본 연구는 유연 복합재료 분야에서 X선 섬광체 소재의 응용을 성공적으로 확대하였으며, 고분자 복합재료의 미세화 및 고부가가치 개발을 위한 강력한 기반을 제공하였습니다.

병목 현상 문제를 극복하기 위해 고성능, 저비용 반짝이는 물체를 개발합니다.

100년이 넘는 개발 끝에 신틸레이터는 핵물리학 연구부터 치과 검사, 뢴트겐이 백금시안산바륨의 형광 현상을 발견한 것부터 오늘날의 고성능 다분야 응용 분야에 이르기까지 사람들의 삶과 긴밀한 관계를 맺게 되었습니다.

중국 신틸레이터 산업 시장 조사 보고서에 따르면, 2022년 글로벌 신틸레이터 시장 규모는 43억 8,500만 위안에 이를 것이며, 중국 신틸레이터 시장 규모는 4억 7,900만 위안에 이를 것으로 전망됩니다. 보고서는 2028년까지 전 세계 신틸레이터 시장 규모가 69억 8,500만 위안에 이를 것으로 예측했습니다. 특히 의료 분야의 경우, 관련 데이터에 따르면 2023년 전 세계 의료용 신틸레이터 시장 규모는 약 6억 1,000만 위안에 달할 것으로 예상되며, 2030년에는 8억 5,000만 위안에 이를 것으로 예상됩니다. 2024년부터 2030년까지 연평균 성장률은 4.9%입니다.

하지만 현재 핵심부품에 쓰이는 고성능 신틸레이터 소재는 대부분 수입에 의존하고 있다. 푸젠성 민강학자협회의 저명한 교수이자 푸저우대학교 화학과의 연구원이자 박사과정 지도교수인 천추수이는 다음과 같이 말했습니다.수입 고가 의료 영상 장비와 핵심 부품은 높은 비용과 핵심 기술 봉쇄 등의 문제에 직면해 있습니다. 핵심 제조 기술은 일본과 유럽 국가들이 오랫동안 독점해 왔습니다.

앞으로도 X선 신틸레이터는 고성능, 저비용을 지향하여 계속 발전할 것입니다. 한편, 새로운 재료 기술의 지속적인 발전과 제조 기술의 최적화로 X선 섬광체의 성능은 더욱 향상될 것입니다. 반면에 생산비용을 절감하고 생산효율을 향상시키는 것은 X선 섬광체 산업의 발전에 중요한 방향이 될 것입니다. 동시에 의료영상기술과 보안검사기술의 끊임없는 혁신과 응용분야의 확대에 따라 X선 섬광체에 대한 시장 수요는 계속해서 증가할 것입니다.