ITSA20120011A1 - Dosimetro di radiazione "in tempo reale" basato su nanomateriali di carbonio (carbon nanomaterials based real time radiation dosimeter). - Google Patents

Description

STATO DELL’INVENZIONE

[0001] 1. Campo tecnico dell’ invenzione

[0002] La presente invenzione riguarda un dosimetro di radiazione “in tempo reale†che ha elettrodi realizzati con nanomateriali di carbonio, quali “bucky paper†di nanotubi di carbonio, foreste di nanotubi di carbonio e film di grafene.

[0003] L’invenzione riguarda inoltre il metodo di produzione di questi elettrodi.

[0004] 2. Descrizione della tecnica nota

[0005] L’utilizzo clinico di radiazioni ionizzanti per ottenere un effetto radiobiologico necrotizzante 0 citotossico su lesioni tumorali comporta ampie e complesse procedure fisico-dosimetriche. In particolare, à ̈ necessario calcolare con molta precisione la dose assorbita ed ottimizzare il suo rilascio, al fine di trattare il tumore preservando i tessuti sani circostanti. I parametri di rilascio della dose prescritta sono determinati durante la pianificazione del trattamento che à ̈ effettuata su specifici computer utilizzando appositi software. E’ cruciale assicurare che la dose prescritta coincida esattamente con quella rilasciata dall’acceleratore.

[0006] Negli ultimi decenni, diversi dosimetri per radiazione sono stati utilizzati per la quantificazione delle dose prescritta e nei programmi di assicurazione della qualità, quali camere a ionizzazione, pellicole radiografiche e radiocromiche, dosimetri a termoluminescenza (TLD), diodi semiconduttori al silicio, dosimetri transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET).

[0007] Le pellicole radiografiche hanno una risoluzione spaziale 2D ma sono sensibili alla luce, richiedono un trattamento chimico e la loro risposta dipende dall’energia. Questi problemi sono risolti con le pellicole radiocromiche, sebbene la loro risposta sia non lineare con la dose. Inoltre, esse non consentono di effettuare misure “in tempo reale†e richiedono una complessa calibrazione. I TLD presentano alcuni vantaggi, quali una risposta con bassa dipendenza dall’energia dei fotoni, risposta lineare su un ampio intervallo di dose, costi bassi, piccole dimensioni e possibilità di effettuare misure in vivo. Gli svantaggi dei TLD comprendono la sensibilità alle condizioni ambientali, il deterioramento alla temperatura e alla luce e l’impossibilità di effettuare misure “in tempo reale†. I diodi semiconduttori al silicio hanno il vantaggio di avere piccole dimensioni e di poter essere utilizzati per applicazioni in vivo; essi, comunque, necessitano di molti fattori di correzione anche per un semplice utilizzo nella radioterapia clinica e la loro risposta dipende dalla temperatura. I dosimetri MOSFET superano i limiti dei fattori di correzione richiesti per i diodi e possono essere utilizzati per misure della dose rilasciata nei pazienti, ma sono costosi e si distruggono dopo pochi trattamenti.

[0008] Tutti i suddetti dosimetri hanno una caratteristica in comune: sono adatti solo per la dosimetria relativa, al contrario delle camere a ionizzazione, che consentono misure assolute di dose. Le camere a ionizzazione sono caratterizzate da alta precisione, praticità ed affidabilità, ma richiedono alte tensioni di “bias†per ottenere una sufficiente raccolta di cariche ed hanno una dimensione fisica relativamente grande che limita la loro risoluzione spaziale. Questi svantaggi impediscono la loro applicazione per misure di dose in vivo.

[0009] Pertanto, c’à ̈ bisogno di realizzare elettrodi migliori per le camere a ionizzazione e di definire un metodo per produrli, per ottenere una camera a ionizzazione che abbia una risoluzione spaziale più alta e possa operare a basse tensioni.

[0010] Il brevetto No. US 2010/0193695 A1 (Pub. Date Aug. 5, 2010) propone un dosimetro con un singolo o più elementi di rilevazione, disposti in formazioni 1D, 2D e 3D. Ogni elemento sensibile à ̈ composto da due elettrodi con carbonio depositato tra di essi. Il carbonio à ̈ prodotto sotto forma di polvere, fibre, nanoparticelle e nanotubi. Nella presente proposta, invece, la geometria del dosimetro à ̈ completamente diversa e più semplice. Gli elettrodi sono realizzati con nanomateriali di carbonio e non c’à ̈ materiale depositato tra gli elettrodi. Anche i materiali sono differenti: per gli elettrodi sono impiegati “buck paper†e foreste di nanotubi di carbonio e film di grafene; viene, inoltre, descritta la tecnica per produrli. Inoltre, nel brevetto No. US 2010/0193695 Al non vengono fomiti dati di misure a diverse tensioni di “bias†e, in particolare, a zero Volt, escludendo la possibilità di applicazioni in vivo.

[0011] Il brevetto No. US 2010/0253359 A1 (Pub. Date Oct. 7, 2010) propone una camera a ionizzazione per rilevare molecole, che comprende un elettrodo con un substrato composto da un primo materiale e una pluralità di nanofili che si estendono dal substrato e un ulteriore elettrodo che si affaccia al primo. Anche in questo caso, la geometria e i materiali sono differenti dalla presente invenzione. Inoltre, nessun risultato sperimentale à ̈ riportato in qualche campo di applicazione e, in particolare, non à ̈ proposta nessuna applicazione nel campo della dosimetria.

[0012] Il brevetto No. WO 2004/059298 A1 (Pub. Date July 15, 2004) propone una sensore di gas miniaturizzato che include due elettrodi. Uno degli elettrodi à ̈ un film di nanotubi di carbonio con una densità tale che il film si comporta come un elettrodo composto da un foglio conduttivo. I nanotubi di carbonio sono verticalmente allineati verso il primo elettrodo. Anche in questo caso, la geometria e i materiali sono differenti. Nella presente invenzione, sono stati sviluppati elettrodi basati su bucky paper di nanotubi di carbonio, foreste di nanotubi di carbonio e film di grafene. Inoltre, il sensore del brevetto No. WO 2004/059298 A1 à ̈ proposto per la rilevazione di gas e non come un dosimetro di radiazione.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

[0013] Fig. la-c: illustrazioni schematiche del rilevatore di radiazione proposto.

[0014] Fig. 2: illustrazione del set up sperimentale utilizzato per testare la presente invenzione.

[0015] Fig. 3a: illustrazione schematica del rilevatore di radiazione con l’anodo a base di silicio e MWCNT e il catodo di alluminio.

[0016] Fig. 3b: illustrazione schematica dell’elettrodo a base di silicio e MWCNT.

[0017] Fog. 4: immagine TEM delle nanoparticelle di NiFe204preparate mediante un approccio di “wet chemistry†.

[0018] Fig. 5 a-c: immagini SEM a diversi ingrandimenti dei nanoutubi di carbonio verticalmente allineati cresciuti mediante CCVD su un substrato di silicio.

[0019] Fig. 5 d: immagine SEM del substrato pattero .

[0020] Fig. 6: illustrazione grafica della carica raccolta a 310 V in funzione della dose per la camera a ionizzazione avente l’anodo a base di silicio e MWCNT e il catodo di alluminio, ad una distanza di 12 mm.

[0021] Fig. 7: illustrazione grafica della carica raccolta a 105 MU in funzione della tensione di “bias †per la camera a ionizzazione avente l’anodo a base di silicio e MWCNT e il catodo di alluminio, ad una distanza di 12 mm.

[0022] Fig. 8: illustrazione grafica della carica raccolta a 0 V in funzione della dose per la camera a ionizzazione avente l’anodo a base di silicio e MWCNT e il catodo di alluminio, ad una distanza di 6 mm (indicatori blu). Carica raccolta a 0 V e 105 MU per lo stesso dispositivo avente una distanza tra gli elettrodi pari a 12 mm (indicatore rosso).

[0023] Fig.9a: illustrazione schematica del rilevatore di radiazione con l’anodo di rame e grafene e 11 catodo di alluminio.

[0024] Fig. 9b: illustrazione schematica dell’elettrodo a base di rame e grafene.

[0025] Fig. 10: illustrazione grafica della carica raccolta a 310 V in funzione della dose per la camera a ionizzazione avente l’anodo di rame e grafene e il catodo di alluminio, ad una distanza di 12 mm.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

[0026] Per realizzare camere a ionizzazione a risoluzione spaziale più alta ed operanti a basso voltaggio c’à ̈ bisogno di elettrodi innovativi, migliori di quelli attualmente disponibili e di mettere a punto un metodo per produrli.

[0027] Per soddisfare il suddetto bisogno, vengono proposti, con la presente invenzione, dosimetri di radiazione con elettrodi a base di nanomateriali di carbonio, quali “bucky paper†di nanotubi di carbonio, foreste di nanotubi di carbonio e film di grafene, e un metodo per produrli.

[0028] Una camera a ionizzazione nella sua forma più semplice à ̈ costituita da due piatti metallici separati da una distanza D. Lo spazio D à ̈ riempito di gas o liquido nobile. Una tensione di “bias†à ̈ applicata, così da mantenere un campo elettrico uniforme tra gli elettrodi. Quando la radiazione ionizzante interagisce con il gas o il liquido nobile, vengono create coppie ione-elettrone. Sotto il campo elettrico, gli ioni positivi e gli elettroni migrano in direzioni opposte, rispettivamente verso l’anodo e il catodo, dove viene raccolta la carica prodotta dalle particelle ionizzanti.

[0029] Per la camera a ionizzazione convenzionale, gli elettrodi di solito contengono uno spessore di molti millimetri di materiale plastico ricoperto con materiali conduttori, quali alluminio o grafite coperta da Mylar<®>.

[0030] I vantaggi dei dosimetri di radiazione con elettrodi realizzati con nanomateriali di carbonio possono essere riassunti come segue: i) lo spessore dell’elettrodo à ̈ molto più piccolo della sua geometria planare; di conseguenza, il dosimetro offre una buona risoluzione spaziale; ii) il numero atomico del carbonio à ̈ 6 e può essere considerato tessuto equivalente; pertanto, i dosimetri basati su nanomateriali di carbonio sono caratterizzati da un’eccellente risposta lineare alla dose; iii) i nanomateriali di carbonio hanno proprietà estremamente desiderabili di alta stabilità meccanica e termica, alta conduttività termica e proprietà ottiche univoche, quali la capacità di trasportare grandi correnti. Pertanto, essi consentono una migliore raccolta di carica e, di conseguenza, la possibilità di operare a tensioni di “bias†più basse; iv) i dosimetri di radiazione realizzati con nanomateriali di carbonio sono economici e il loro processo di fabbricazione à ̈ semplice.

[0031] Gli elettrodi di ogni camera sono fissati alle basi di un contenitore di plastica a forma cilindrica (Fig.l). Lo spazio tra gli elettrodi può essere riempito di gas o liquido. La separazione tra gli elettrodi può variare da 0.2 mm a 50 mm.

[0032] La radiazione può essere un fascio di raggi X, un fascio di elettroni o fotoni.

[0033] Un elettrometro, connesso agli elettrodi mediante un cavo schermato (Fig. 2), applica una tensione di “bias†, nell’intervallo da 0 V a 500 V e legge la carica raccolta.

[0034] Il metodo per produrre elettrodi basati su “bucky paper†di nanotubi di carbonio comprende: la sintesi di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) mediante deposizione chimica in fase di vapore assistita da catalizzatore (CCVD) di idrocarburi (metano, etilene, acetilene, propilene, ecc) su catalizzatori supportati da metalli di transizione (Co, Fe, Ni supportati su SiO2, A12O3, MgO), secondo i passi elencati di seguito:

1. il catalizzatore à ̈ preparato attraverso un’impregnazione umida in soluzione di etanolo di polvere di SiO2, A12O3, MgO con sali di Co-Fe-Ni;

2. per la sintesi dei nanotubi, una miscela di idrocarburi in N2o H2(10%-30% v/v) Ã ̈ inviata ad un microreattore a flusso continuo a temperature comprese tra 873 e 1073 K e un tempo compreso tra 10 e 60 min. La portata di gas e la massa del catalizzatore sono pari, rispettivamente, a 120 NcmVmin e 400 mg;

3. per rimuovere le impurezze dovute al catalizzatore, gli MWCNT cresciuti vengono trattati con una soluzione acquosa di HF al 46%; successivamente, il residuo solido viene estratto, lavato con acqua distillata, centrifugato e, infine, asciugato a 353 K per 12 ore.

Gli MWCNTs sono usati per produrre film sottili seguendo i passi elencati di seguito:

1. sonificazione di una sospensione di MWCN in presenza di tensioattivo;

2. filtrazione sotto vuoto della soluzione su un supporto di membrana di policarbonato o nylon.

Dopo asciugatura, à ̈ possibile rimuovere dal supporto film di diverso spessore e densità; lo spessore, l’orientamento e la densità dei film di CNT sono facilmente controllabili.

[0035] Il metodo per produrre elettrodi a base di foreste di nanotubi di carbonio comprende: i) la sintesi di nanoparticelle di ferrite (MFe2O4, dove M = Fe, Co, Ni); ii) il “patteming†di nanoparticelle su appositi substrati di silicio, materiale metallico o dielettrico, mediante stampa a microcontatto; iii) la crescita dei nanotubi di carbonio mediante deposizione chimica in fase di vapore assistita da catalizzatore (CCVD).

[0036] Il metodo per produrre elettrodi a base di film di grafene comprende la preparazione di strati di grafene su opportuni substrati di silicio, materiale metallico o dielettrico mediante CCVD.

ESEMPIO 1

[0037] Nel primo esempio, viene proposto come dosimetro una camera a ionizzazione comprendente un catodo in alluminio e un anodo a base di una foresta di nanotubi (Fig. 3). In particolare, una foresta di MWCNT, verticalmente allineati, Ã ̈ stata fatta crescere mediante sintesi per CCVD su un substrato di silicio.

[0038] Per sintetizzare i MWCNT, nanoparticelle di ferrite al nichel sono state dapprima preparate mediante un approccio di “wet chemistry†. Ni(acac)2(1 mmol) e Fe(acac)3(1 mmol), 1,2 esadecandiolo (10 mmol), acido oleico (6 mmol), oleilammina (6 mmol), e fenil etere (20 mL) sono stati mescolati e mantenuti sotto agitazione magnetica in un flusso di azoto. La miscela à ̈ stata scaldata a 265 °C per 30 min. Successivamente, la miscela dal colore nero-marrone, à ̈ stata raffreddata a temperatura ambiente e si à ̈ aggiunto etanolo; il materiale nero à ̈ stato separato mediante centrifugazione. I prodotti sono stati dispersi in esano e raccolti in una vial.

[0039] Le nanoparticelle, disperse in esano, sono state pattemate su un wafer al silicio Si02/Si, mediante stampa a microcontatto utilizzando uno stampo di polidimetilsilossano (PDMS).

[0040] Il substrato di silicio à ̈ stato montato in un reattore tubolare di quarzo e mantenuto a temperatura ambiente sotto in flusso di azoto (80 Ncm<3>/min) per 4 min. Il reattore à ̈ stato, poi, inserito in un forno pre-riscaldato a 800 °C per 10 min in atmosfera di azoto. Dopo aver sostituito il flusso di azoto con una miscela gassosa di C2H4(purezza 99.998 % , portata 8 NcmVmin) in N2(purezza 99.999%, portata 72 NcmVmin), il reattore à ̈ stato mantenuto a 800 °C per altri 10 min. Il reattore à ̈ stato, poi, fatto raffreddare a temperatura ambiente in flusso di azoto.

[0041] In Fig. 5 viene mostrata la sezione trasversale del wafer di silicio dopo la sintesi per CCVD. Si osserva chiaramente la formazione di una foresta di CNT verticalmente allineati. Lo spessore del film di CNT Ã ̈ ~12 Î1⁄4m.

[0042] Il suddetto dosimetro à ̈ stato esposto ad un fascio di fotoni di 6 MeV generato da un LINAC (Precise Elekta) che viene utilizzato quotidianamente per la radioterapia ospedaliera. Esso à ̈ stato posizionato in un fantoccio tessuto-equivalente nella parte centrale di un campo di irraggiamento 10 x 10 cm<2>ad una distanza tra il proprio centro e la sorgente pari a 100.0 0.2 cm (Fig. 2).

[0043] Il suddetto dosimetro à ̈ stato irradiato a temperatura ambiente e a pressione atmosferica con dosi di radiazione corrispondenti a 21 Unità Monitor (MU), 50 MU e 105 MU. Nel set-up di irraggiamento utilizzato, 1MU corrisponde a 95.3 cGy. Una tensione di bias di 310 V à ̈ stata applicata tra gli elettrodi, posti ad una distanza di 12 mm. La carica raccolta mostra un’eccellente dipendenza lineare dalla dose (Fig. 6) La risposta lineare à ̈ una caratteristica necessaria di un’efficiente dosimetro.

[0044] Con il suddetto dosimetro sono state, inoltre, effettuate misure della carica raccolta a tre diverse tensioni di “bias†, rispettivamente di 0 V, 155 V e 310 V, mantenendo la dose a 105 MU e la distanza tra gli elettrodi a 12mm. La carica raccolta mostra una dipendenza esponenziale dalla tensione di “bias†(Fig. 8). Sorprendentemente, la carica raccolta à ̈ diversa da zero quando non viene applicata una tensione di “bias†. Aumentando la tensione di “bias†, il campo elettrico tra gli elettrodi diventa sempre più intenso e il rilevatore à ̈ in grado di raccogliere più cariche, finché viene raggiunto un “plateau†.

[0045] Con il suddetto dosimetro sono state, inoltre, effettuate misure della carica raccolta ad una distanza tra gli elettrodi pari a 6 mm e una tensione di “bias†di 0 V. Il rilevatore à ̈ stato irradiato con 105 MU, 210 MU e 420 MU. Anche in questo caso, la carica raccolta ha una risposta lineare con la dose (Fig. 8). Dimezzando la distanza tra gli elettrodi si raddoppia la carica raccolta (Fig. 8)

ESEMPIO 2

[0046] Nel secondo esempio, il dosimetro proposto à ̈ una camera a ionizzazione comprendente un catodo di alluminio e un anodo basato su strati di grafene (Fig. 9).

[0047] Gli strati di grafene sono stati preparati su un foglio di rame di 25 Î1⁄4m mediante sintesi per CCVD di metano diluito in azoto.

[0048] La sintesi à ̈ stata effettuata in condizioni isotermiche a 950 °C e con una portata di 100 Ncm<3>/min, dopo un pre-trattamento termico del foglio di 40 min da temperatura ambiente alla temperatura della sintesi. La velocità media di raffreddamento dopo la sintesi à ̈ stata di 2 °C/min.

[0049] Il set sperimentale per l’irraggiamento à ̈ simile a quello dell’esempio 1 (Fig. 2).

[0050] Il suddetto dosimetro à ̈ stato irradiato con 21 MU, 50 MU e 105 MU. Una tensione di bias di 310 V à ̈ stata applicata agli elettrodi, posti ad una distanza di 12 mm. Anche in questo caso, la carica raccolta mostra un’eccellente dipendenza lineare dalla dose (Fig. 10).

Claims (18)

1. Rivendichiamo: 1. Un dispositivo per la rilevazione di radiazione, che comprende: un primo elettrodo; un secondo elettrodo, affacciato al primo, che include nanomateriali di carbonio; un elettrometro in grado di applicare una tensione di “bias†tra gli elettrodi e di misurare la carica raccolta.
2. 2. Un dispositivo per la rilevazione di radiazione, che comprende: un primo elettrodo; un secondo elettrodo, affacciato al primo, che include “bucky paper†o foreste di nanotubi di carbonio; un elettrometro in grado di applicare una tensione di “bias†tra gli elettrodi e di misurare la carica raccolta.
3. 3. Un dispositivo per la rilevazione di radiazione, che comprende: un primo elettrodo; un secondo elettrodo, affacciato al primo, che include strati di grafene; un elettrometro in grado di applicare una tensione di “bias†tra gli elettrodi e di misurare la carica raccolta.
4. 4. 11 dispositivo di rilevazione della rivendicazione 1, in cui: il primo elettrodo comprende un foglio di metallo o lega metallica come catodo; un secondo elettrodo comprende un foglio di nanomateriali di carbonio come anodo.
5. 5. 11 dispositivo di rilevazione della rivendicazione 2, in cui: il primo elettrodo comprende un foglio di metallo o lega metallica come catodo; un secondo elettrodo comprende un anodo di “bucky paper†o foreste di nanotubi di carbonio.
6. 6. Il dispositivo di rilevazione della rivendicazione 3, in cui: il primo elettrodo comprende un foglio di metallo o lega metallica come catodo; un secondo elettrodo comprende un anodo di strati di grafene.
7. 7. Il dispositivo di rilevazione della rivendicazione 5, in cui: i “bucky paper†e le foreste di nanotubi di carbonio sono posizionati su appositi substrati, quali silicio, materiale metallico o dielettrico.
8. 8. Il dispositivo di rilevazione della rivendicazione 6, in cui: gli strati di grafene sono posizionati su appositi substrati, quali silicio, materiale metallico o dielettrico.
9. 9. Il dispositivo di rilevazione della rivendicazione 7, in cui: il “bucky paper†à ̈ costituito da nanotubi di carbonio orientati a caso e i nanotubi di carbonio che costituiscono la foresta sono a parete multipla e verticalmente allineati verso il primo elettrodo.
10. 10. Il dispositivo di rilevazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9 con una distanza tra gli elettrodi che varia da 0.2 mm a 50 mm.
11. 11. Il dispositivo di rilevazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10 con lo spazio tra gli elettrodi riempito di gas o liquido.
12. 12. Il dispositivo di rilevazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-11 con una tensione di “bias†tra gli elettrodi, compresa nell’ intervallo da 0 V a 500 V.
13. 13. Il dispositivo di rilevazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12 con un’eccellente risposta lineare all’esposizione, anche a dosi molto basse dell’ordine del cGy.
14. 14. Il dispositivo di rilevazione con la foresta di nanotubi della rivendicazione 9 in grado di raccogliere cariche anche senza una tensione di “bias†, consentendo applicazioni in vivo.
15. 15. Il dispositivo di rilevazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-14, dove detto dispositivo à ̈ un dosimetro e detta radiazione può essere un fascio di raggi X, un fascio di elettroni o un fascio di fotoni.
16. 16. Un metodo di produrre elettrodi a base di “bucky paper†di nanotubi di carbonio, metodo che comprende: la sintesi di MWCNT mediante CCVD di idrocarburi su catalizzatori a base di metalli di transizione; la preparazione di films mediante sonificazione di una sospensione di MWCNT in presenza di un surfatante, seguita da una filtrazione sotto vuoto della soluzione su un supporto di membrana di policarbonato o nylon.
17. 17. Un metodo per produrre elettrodi a base di foreste di nanotubi di carbonio, metodo che comprende: la sintesi di nanoparticelle di ferrite; il “patteming†di nanoparticelle su appositi substrati di silicio, materiale metallico o dielettrico, mediante stampa a microcontatto; la crescita mediante CCVD dei nanotubi di carbonio.
18. 18. Un metodo per produrre elettrodi basati su strati di grafene, metodo che comprende: la preparazione di strati di grafene su opportuni substrati di silicio, materiale metallico o dielettrico mediante CCVD.