恶性肿瘤是国民生命健康的重要威胁之一，放射治疗技术作为恶性肿瘤治疗的重要手段，一直是全世界医学研究中心的热点和重点方向。放疗用射线在杀死肿瘤细胞的同时，也会不可避免地照射到正常组织和细胞，同时也会带来一些不良反应和并发症。近年来，新技术和自动化在提高放射治疗剂量精准度的同时，其带来陡峭的剂量梯度和剂量跌落，也加大了放疗规划、实施过程中误差所带来的安全挑战。
近期，南京航空航天大学王运龙副研究员及其合作者设计了一种基于光子晶体和3D打印的三维辐射剂量计。相关工作以“High-resolution 3D Radiochromic Hydrogel Photonic Crystal Dosimeter for Clinical Radiotherapy ”发表在《Materials Horizons》上。南京航空航天大学博士生王志浩为第一作者，绵阳市中心医院王亭亭医生，南京航空航天大学王运龙副研究员，马骏教授(现工作单位为中国科学技术大学)为通讯作者。
在前期工作(Matter, 2022, 5, 4060)中，团队将聚合物的辐射效应与光子晶体相结合，首次提出一种全新的剂量检测方案，即利用光子晶体薄膜在X或γ射线的连续照射下实现布拉格反射峰的全可见光谱移动来实现剂量检测。在此基础上，研究团队设计了一种辐射敏感的水凝胶材料，并将其引入反蛋白石光子晶体结构。如图1B所示，在光子晶体水凝胶合成过程中，通过添加HEMA引入可控含量的羟基，并在后续将其改性为双键结构，实现了双键含量可控的水凝胶光子晶体系列剂量计，并对其X射线辐射响应性能进行了研究。图1D-H中的结果表明，该光子晶体水凝胶辐射剂量计的性能得到了大幅提高，基本达到了放疗临床的应用阈值。
图 1 高灵敏性的水凝胶光子晶体辐射剂量计设计及响应
进一步地，研究团队将上述剂量计在真实放疗设备上进行了试验，结果如图2所示。其中图 2A-C为在X射线放疗设备辐照的结果，图 2D-F为在电子束放疗设备辐照的结果。从结果可以看到，该剂量计在临床设备上同样具有较好的剂量响应性能，且对剂量响应的线性良好。从图2G-J结果可知，该剂量计与商业化的胶片剂量计所测得的剂量场空间分布具有很好的一致性。
图 2 高灵敏性的水凝胶光子晶体辐射剂量计在临床放疗设备上的响应性能
研究团队将3D打印技术与上述技术相结合，实现了水凝胶光子晶体剂量计的三维化，相关研究结果见图 3。如图 3A所示，采用基于文献报道合成的高带电弹性纳米粒子(HENPs)形成胶体组装体，其结构颜色由静电排斥力诱导组装体产生，通过改变HENPs的质量体积分数可以改变其结构颜色。在对其进行甲基丙烯酰化改性后，可发现该剂量材料具有很高的辐射灵敏度，同时有着优于 30 μm的空间分辨率，并能够检测复杂的 3D 地形剂量分布，用于临床辐射剂量验证。通过固体含量和丙烯酸酯改性程度，可以调整剂量计由辐射诱导的聚合物交联程度，及其结构色反射峰波长的响应灵敏度。快速读数、低剂量响应、高空间分辨率和良好的环境稳定性的结合凸显了该技术在临床放射治疗应用中的地形剂量映射的转化潜力。
研究得到了国家重点研发计划，江苏省自然科学基金、国家自然科学基金、国防科技工业核能技术创新中心基金、南京航空航天大学中央高校基本科研业务费专项基金及南航空航天大学研究生科研与实践创新项目的资助。
图 3 3D打印的光子晶体水凝胶剂量响应材料及其性能
