不透射线填料的定制混合可以增加导管和其他设备的不透明度，使其在透视和X射线下清晰可见，而不会牺牲聚合物的机械性能。

一、医用塑料和生物材料

用于生产导管和其他插入身体进行诊断或介入手术的设备的聚合物通常填充有对X射线不透明的物质，从而使这些设备在透视或X射线成像下可见。这些填充物或辐射不透光剂（通常是致密的金属粉末）会影响X射线束中光子穿过物质时的能量衰减，通过吸收或偏转光子来降低光子的强度。由于这些材料比软组织或骨骼具有更高的衰减系数，因此它们在荧光镜或X射线胶片上显得更轻。这种可见性提供了在受影响区域准确定位设备所需的对比度。图像对比度和锐度可以根据所使用的放射屏蔽器的类型和数量而变化，并且可以根据设备的特定应用进行定制。

例如，与在冠状脉管系统内使用的设备相比，设计用于皮肤表面附近的设备需要较少的不透射线填充物即可达到所需的衰减水平。设备设计也是一个因素：例如，与具有较厚壁的产品相比，薄壁导管需要更高的不透射线材料负载。通常，化合物应仅包含应用绝对需要的添加剂量，因为过载会导致聚合物的机械性能损失。将几种不透射线的材料混合在一起可以产生比在配方中仅使用一种类型更好的结果。

医疗器械中使用最广泛的辐射屏蔽器是硫酸钡、铋化合物和钨——它们是X射线的极好吸收剂。选择适量的正确填充剂需要彻底了解衰减以及各种不透射线化合物如何影响衰减。本文讨论了通常与医用级热塑性聚合物一起使用的那些不透射线的填充剂，以及它们选择所涉及的因素。

二、了解X射线

X射线是一种辐射形式，是电磁波谱的一部分，由频率和长度各不相同的能量波组成。由磁场内电荷的振荡或加速产生，这些波的范围从具有非常高频率和短波长的那些到具有非常低频率和长波长的那些（表I）。

诊断X射线落在光谱的较短波长端附近，测量范围在1（约十亿分之一英寸长）和0.1之间。X射线是由X射线管灯丝中快速移动的电子与钨阳极或靶材相互作用时产生的能量转换产生的。电子的动能随着电压的增加而增加，以峰值千伏(kVp)表示。X射线束的强度由光束中的光子数和光子的能量决定，能量以千电子伏特(keV)表示。

较短波长的X射线比较长的X射线表现出更大的能量和穿透力（表II）。例如，0.1相当于大约keV的能量，而1.24仅相当于10keV。kVp的电压（旧型号X射线机的标准额定值）不会使所有光子都处于keV。通常，kVp在0.1-波长处产生1%的光子，而其他99%的光子更长且能量更少。≥15keV的光子可以使原子电离——导致电子损失——产生电离辐射。伽马射线、X射线和一些紫外线被认为是电离辐射。

能量衰减与光束中光子的数量和质量有关。增加能量会增加传输的光子数量，并且通常会降低衰减程度。辐射的精确性质会影响衰减，就像每克吸收或不透射线材料的密度、原子序数和电子一样。这些因素中的任何一个的增加都会减少透射光子的数量，从而增加衰减。

在X射线束中，透射光子和衰减光子对于产生准确的图像都很重要。不同类型的组织会以不同的方式衰减能量，从而在X射线图像中提供对比度。原子序数为56的致密元素（例如钡）具有更高的衰减系数，并且比密度较小的物质更能吸收X射线。衰减系数越高，透射光子的数量越少。与衰减成正比的密度决定了给定材料厚度中存在的电子数量，从而决定了光子阻挡能力。更密集的材料在X射线胶片或荧光镜上显示为更亮的图像，当一束穿透性辐射通过身体传输到观察屏幕上时，它会显示动态图像。

低能辐射下骨骼和软组织衰减的差异是由光电反应次数的差异产生的，这涉及到电磁辐射过程中电子的形成和释放。骨骼中的钙具有比周围组织更高的原子序数，引起更多的反应和增加的衰减。然而，在更高的能级上，衰减的变化更多地取决于称为康普顿散射的相互作用，这是当波被散射时发生的波长变化。

如上所述，当光束的辐射能量增加时，X射线透射率通常会增加，而衰减会降低。但这不适用于高原子能吸收剂，例如碘（原子序数53）。由于随着能量接近内壳电子的结合能而发生光电反应的可能性，透射率可能会随着电子束能量的增加而降低。光子需要最少量的能量——超过电子的结合能——才能射出电子。因此，与低能光子相比，高能光子传输的可能性更小。

对于某些元素，诊断放射学的一个重要属性是K壳结合能，称为K边（表III）。例如，33keV的X射线不会从具有33.2keV的K边缘的碘的K壳中射出电子。当光子能量和电子结合能几乎相同时，光电反应发生的机会更大：也就是说，30keV的光子比keV的光子更容易与碘的K壳层电子发生反应.由于轨道上紧密束缚的电子最有可能参与光电反应，因此吸收体的K边应靠近X射线束的能量，以确保最大程度地吸收X射线。

多色辐射包含不同能量的光子，在衰减方面比单色辐射更复杂。多色光束中光子的数量和质量在它们通过吸收体时都会发生变化。多色光束的峰值千伏电压决定了平均能量，它介于峰值的1/3和1/2之间，因此kVp光束的平均能量约为40kV。对于kVpX射线机，K-edge为37.4keV的钡是一种极好的吸收体。当平均能量显着增加时，K-edge为69.5的钨成为不透射线材料的更好选择。

三、常见的放射治疗仪

硫酸钡——硫酸钡(BaSO4)是第一种在医疗配方中广泛复合的不透射线材料，也是医疗级聚合物中最常用的填充剂。（在检查消化道之前，通常要求患者吞服硫酸钡溶液。）这是一种廉价的材料，成本约为2美元/磅；它的白色可以通过添加着色剂来改变。

硫酸钡的比重为4.5，通常以20至40重量％的负载量使用。虽然20%的硫酸钡化合物通常用于通用医疗设备应用，但一些从业者更喜欢比该负载所能提供的更高程度的射线不透性。例如，对于条纹管，40%的化合物是标准的。

20%（重量）硫酸钡的负载量相当于约5.8%（体积）；40%（重量）等于14%（体积）（表IV）。随着钡含量超过约20%（按体积计），化合物开始表现出基础聚合物的拉伸强度和其他机械性能的损失。因此，最好为每种应用制定最低水平的辐射屏蔽剂；不建议过度使用这些填料。

铋——铋化合物的价格比钡高出20到30美元/磅（取决于选择的化学盐），其密度也高出两倍。三氧化二铋（Bi2O3），颜色为黄色，比重为8.9；碱式碳酸铋(Bi2O2CO3)的比重为8.0；氯氧化铋(BiOCl)的比重为7.7。由于密度的原因，40%铋化合物的体积比仅为40%硫酸钡化合物的一半左右。由于铋在X射线胶片或荧光镜上产生比钡更亮、更清晰、对比度更高的图像，因此通常在需要高水平的射线不透性时使用。

与钡相比，更高的负载量也是可能的：即使是60%的铋化合物也可以保持与40%的硫酸钡化合物相同的基础聚合物机械性能。20%重量的铋含量等于3%的体积；40%重量的装载量等于7.6%的体积。铋对混合很敏感，必须温和处理，建议使用低剪切混合以获得最佳效果。由于其高水平的射线不透性，铋填料越来越受欢迎。

钨，一种比重为19.35的精细金属粉末，钨(W)的密度是铋的两倍多，并且可以提供高衰减系数，成本约为20美元/磅。60%钨的负载量与40%铋化合物的体积比大致相同。可以用相对低的钨负载量制造高度不透射线的设备，从而保持良好的机械性能。由于它的密度，钨通常被选为非常薄壁设备的填充物。

按重量计算50%的钨负载量仅相当于按体积计算的5.4%；80%重量的装载量代表18.5%的体积。钨是黑色的，不能用着色剂改变。它具有磨蚀性，会加速挤出机和其他加工设备的磨损。填充有高含量钨的器件会表现出表面粗糙度。由于该材料在氧气和热量存在的情况下会引起氧化，并且高度易燃，因此在干燥时应小心。对于弹性体，硫酸钡的混合效果比钨或铋化合物更好。

四、综合考虑

较新的X射线机通常在比旧机器更高的能量水平下运行——通常在80到kVp之间，而旧机器的能量水平为60到80kVp。更高能量的辐射会增加光子的传输，并且可能需要更高水平的不透射线来提供所需的衰减。因此，使用硫酸钡化合物生产的设备在较新的机器上可能看起来不那么明亮，对于这种情况，铋化合物将是不透射线填料的更好选择。然而，混合这些材料通常是最好的解决方案，特别是对于在广泛的能量水平上使用的多用途配方。钡的混合物（在低能量水平下容易衰减）和铋（在较高水平下衰减），通常效果很好。

复合不透射线材料是一项复杂的业务，涉及许多因素，这些因素不仅会影响设备的衰减程度，还会影响聚合物的拉伸强度、伸长率和其他机械性能。必须注意为应用选择正确的填料，在材料的处理和干燥过程中，以及在混合过程中避免过度的剪切热，以免降解聚合物。优化的填料装载将避免配方中不透射线材料的水平过高或不足。在使用金属填料时，还需要对抗氧化剂、稳定剂和着色剂有全面的了解。

有人说，复合类似于食物准备：给定相同的配料，主厨将比短期厨师做出更好的饭菜。由于许多相同的原因，产品的质量可能会因一个混料厂而异。

五、总结

诊断放射学中使用的医疗设备必须在X射线胶片和荧光镜上很容易看到，以便医疗从业人员在关键程序期间将它们精确地定位在体内。在制造这些设备时，与热塑性材料混合的不透射线填充物的类型和数量决定了它们的外观。填充物会影响图像的对比度和清晰度，其程度会影响穿过身体和设备的X射线的衰减。

成功的材料选择始于了解X射线能量和衰减。填充剂的有效性与X射线设备的能级、设备的壁厚、设备在体内的使用位置以及聚合物所需的机械性能有关。特定应用的最佳化合物通常是不透射线填料的混合物（例如硫酸钡和铋化合物），可提供所需的衰减水平，而不会因过度负载而降低聚合物的机械性能

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