Các khuyết tật thuận từ do bức xạ ion hóa gây ra trong các mô vôi hóa như men răng đại diện cho chỉ số liều chiếu xạ. Hydroxyapatite (HA), thành phần chính trong các vật liệu này, kết hợp nhiều loại anion và cation (Mn2+, Li+, Cu2+, Fe3+, Mg2+ và Na+) trực tiếp hoặc gián tiếp góp phần vào sự hình thành các trung tâm thuận từ ổn định khi bị chiếu xạ. Phương pháp tổng hợp dựa trên phản ứng thiết lập nhiệt độ môi trường của xi măng canxi phosphat tự cứng (CPC) để tạo ra hydroxyapatite (CHA) chứa cacbonat và nghiên cứu các tính chất thuận từ của nó sau khi chiếu xạ γ. Nhiễu xạ tia X dạng bột và đặc tính quang phổ IR của các mẫu CHA đã cứng cho thấy sự hình thành xi măng CHA loại B tinh khiết. Các nghiên cứu sâu hơn về xi măng CHA đang được tiến hành để xác định tính phù hợp của các vật liệu này cho một loạt các ứng dụng đo liều sinh học và công nghiệp.
Thiết lập ghi phổ EPR – Thiết bị Bruker ELEXSYS E500 EPR từ NYU.
Các khiếm khuyết thuận từ do bức xạ ion hóa gây ra trong các mô vôi hóa như men răng đã được sử dụng làm chỉ số liều trong phép đo liều cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR). Phép đo liều EPR được sử dụng để tái tạo liều bức xạ, chiếu xạ thực phẩm, y học hạt nhân và xác định niên đại khảo cổ học. Do có độ nhạy và độ chính xác cao, phép đo liều EPR đối với men răng cũng đã được sử dụng thành công trong các nghiên cứu hồi cứu về một số vụ tai nạn liên quan đến phóng xạ, ví dụ như Hiroshima và Nagasaki, Chernobyl, Urals, Maryland và Fukushima để xác định liều bức xạ mà các cá nhân hấp thụ. Trong phép đo liều EPR hồi cứu, nồng độ các gốc ổn định do bức xạ gây ra trong men răng tỷ lệ thuận tuyến tính với liều hấp thụ nhận được trong phạm vi bức xạ từ 10 mGy đến 100 Gy, liên quan đến tai nạn bức xạ. Các mô vôi hóa có được các tính chất thuận từ của chúng do sự tồn tại của nồng độ hydroxyapatite (HA) cao, có thể kết hợp nhiều loại anion (ví dụ: CO32–, F–, Cl–, SiO44–) và cation (ví dụ: Mn2+, Li+, Cu2+, Fe3+, Mg2+, Na+) trong cấu trúc của nó. Việc tiếp xúc các mô này với bức xạ ion hóa dẫn đến sự hình thành các gốc tự do CO2•– ổn định, có nguồn gốc từ CO32– trong mạng tinh thể, chịu trách nhiệm cho tín hiệu EPR chủ yếu được quan sát thấy sau khi chiếu xạ. Các ion CO32–, chiếm vị trí OH– (loại A) hoặc vị trí PO43– (loại B) trong cấu trúc tinh thể HA, cũng tham gia vào quá trình hình thành một số loài thuận từ, CO•–, CO2•–, CO3•– và CO33–, được tạo ra thông qua quá trình chiếu xạ HA có nguồn gốc sinh học. Ngoài các gốc có nguồn gốc từ cacbonat, các khiếm khuyết thuận từ khác đã được phát hiện trong các mô bị chiếu xạ này bao gồm các loài oxy (O•– và O3•–), các gốc có nguồn gốc từ phosphate (PO42–) và các gốc từ các thành phần hữu cơ trong các mô bị vôi hóa.
Do liều lượng EPR của men răng biểu hiện mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ tín hiệu EPR và liều chiếu xạ, người ta đã cố gắng phát triển phương pháp này để sử dụng trong cơ thể sống. Thật không may, việc sử dụng men răng trong bối cảnh này phải đối mặt với những thách thức lớn do các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của men răng và kết quả liều lượng do các tín hiệu EPR chồng chéo thêm. Để tránh các vấn đề với men răng có nguồn gốc sinh học, hydroxyapatite cacbonat (CHA) được chế tạo tổng hợp đã được sử dụng để mô phỏng phản ứng bức xạ của men răng. Việc lựa chọn và kiểm soát phương pháp tổng hợp CHA ảnh hưởng đến các tính chất vật liệu thu được, cung cấp một phương tiện để cải thiện năng suất gốc cacbonat và tính đồng nhất. Việc cải thiện hai đặc điểm này có thể làm tăng phạm vi phát hiện động hữu ích của CHA.
Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà khoa học đã khai thác các phản ứng đông kết ở nhiệt độ môi trường của xi măng canxi photphat tự đông cứng (CPC) để tạo ra vật liệu CHA. Mặc dù có một số phương pháp để tổng hợp CHA, các phương pháp này đòi hỏi phải kiểm soát nhiều thông số, tất cả đều ảnh hưởng đáng kể đến quá trình chuyển đổi pha, hình thái và loại CHA được hình thành. Sự phức tạp liên quan đến các phương pháp tổng hợp khác khiến việc kiểm soát nồng độ cacbonat cuối cùng trong cấu trúc CHA trở nên khó khăn và do đó ảnh hưởng đến tín hiệu EPR. Xi măng CPC chỉ chứa các hợp chất canxi photphat và chúng tự đông kết thành khối cứng với các miền nano tinh thể được đóng gói chặt chẽ và liên kết mà không cần chất phụ gia hóa học hoặc chất kết dính. Những vật liệu này có một số đặc tính khiến chúng phù hợp để sản xuất và chế tạo quy mô lớn: chúng ổn định về mặt hóa học trong nhiều điều kiện nhiệt độ môi trường và pH trung tính, giá thành tổng hợp rẻ và dễ dàng tạo thành đĩa, khối và tấm. Hơn nữa, vật liệu HA tổng hợp thông qua phương pháp CPC đã chứng minh các đặc tính sinh học vượt trội và đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu sinh học và ứng dụng lâm sàng khác nhau, bao gồm các vật liệu được FDA chấp thuận để điều trị các khuyết tật sọ mặt và gãy xương. Tuy nhiên, theo hiểu biết của chúng tôi, các loài gốc hình thành khi chiếu xạ γ trong xi măng CHA được chế tạo thông qua phương pháp tổng hợp được kiểm soát tốt này chưa từng được nghiên cứu trước đây. Cuối cùng, để CHA trở thành vật liệu đo liều khả thi, các loài thuận từ ổn định hình thành khi chiếu xạ γ phải cung cấp phản ứng liều có thể tái tạo được. Phương pháp tổng hợp của chúng tôi cho phép chúng tôi kiểm soát hàm lượng ion thay thế tốt hơn các phương pháp khác. Kiểm soát này điều chỉnh phản ứng và các sản phẩm thuận từ hình thành sau khi chiếu xạ γ, dẫn đến vật liệu CHA có các đặc tính được cải thiện cho các ứng dụng đo liều.
Sử dụng phương pháp tổng hợp chưa từng được khai thác trước đây, chúng tôi báo cáo phân tích quang phổ các khuyết tật thuận từ do bức xạ γ gây ra trong xi măng hydroxyapatite thay thế natri và cacbonat. Xi măng được tổng hợp thông qua phản ứng thiết lập nhiệt độ môi trường của phương pháp xi măng canxi phosphat tự cứng (CPC). Phân tích nhiễu xạ tia X bột và FTIR của các mẫu CHA đã cứng đã chứng minh sự hình thành xi măng CHA loại B tinh khiết. Các mẫu CHA tiếp xúc với bức xạ γ ở nhiều liều bức xạ γ từ 1 Gy đến 150 kGy tạo thành tín hiệu EPR riêng biệt, có thể tái tạo, ổn định và tinh khiết về mặt quang phổ, được gán cho gốc tự do CO2•– trực thoi. Ở liều bức xạ γ cao từ 30 đến 150 kGy, một tín hiệu cường độ thấp hơn bổ sung đã được quan sát thấy trong quang phổ EPR và được gán cho gốc tự do CO3•–. Cường độ đỉnh-đỉnh được sử dụng để định lượng mối quan hệ liều-đáp ứng, cho thấy ba vùng liều chính: (I) vùng giới hạn dưới, (II) vùng tuyến tính và (III) vùng giới hạn trên. Kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng phương pháp CPC tạo ra vật liệu xi măng CHA có khả năng phù hợp cho phép đo liều EPR. Do khả năng kiểm soát có hệ thống các chất pha tạp thay thế bằng phương pháp CPC, nên chúng tôi đang tiến hành thêm nhiều nghiên cứu để tạo ra các vật liệu CHA thay thế khác có thể mở rộng tính tuyến tính của phạm vi phát hiện động, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng lâm sàng và công nghiệp.
Từ khóa: bức xạ;
– CMD –
