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Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 22532 (2022) Citar este artículo

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En las instituciones médicas, la protección contra la radiación es una estrategia eficaz para proteger al personal médico y a los pacientes de la exposición. Reducir el peso del escudo que lleva el personal médico en el área de generación de radiación juega un papel clave en la mejora de su productividad y movilidad. En este estudio, se desarrolló un nuevo escudo de radiación liviano mediante el electrohilado de un material compuesto de polímero y tungsteno para producir nanofibras con una estructura de película delgada de múltiples capas similar a la del ala de una mariposa morfo. El escudo fabricado tenía la forma de papel protector flexible de 0,1 mm de espesor. La estructura de múltiples capas del papel protector delgado se obtuvo a través de la formación de un patrón de nanofibras mediante el electrohilado de una dispersión de partículas de tungsteno. Con un espesor de 0,1 mm, la tasa de protección del papel fue del 64,88 % a 60 keV. Además, con un espesor de 0,3 mm y dispuesto en una estructura laminada, la tasa de blindaje fue del 90,10 % y el plomo equivalente fue de 0,296 mmPb. Cuando se utiliza como material de delantal, el peso se puede reducir en un 45 % en comparación con los productos de plomo existentes. Además, el material es altamente procesable y se puede usar para fabricar varios productos flexibles, como sombreros, guantes, ropa interior y bufandas que se usan en instituciones médicas.

La radiografía es una tecnología médica que transmite rayos X a través del cuerpo humano y utiliza la diferencia en la densidad de las sustancias en el cuerpo humano para obtener imágenes de estructuras anatómicas1. La penetración de los rayos X está limitada cuando la densidad del tejido es alta, mientras que los tejidos con una densidad relativamente baja pueden penetrar fácilmente2. Por lo tanto, cuanto mayor sea la densidad del escudo, más ventajoso puede ser para la protección contra la radiación.

Las radiaciones artificiales, como los rayos X, se han desarrollado para tecnologías médicas e industriales. Sin embargo, debido al uso cada vez mayor de dispositivos médicos, la población en general y los trabajadores de la industria y la medicina están sujetos a una mayor exposición a la radiación3. Por lo tanto, se requiere tecnología de defensa radiológica activa para reducir la exposición. Además, el uso de dispositivos móviles de rayos X ha aumentado debido a la reciente pandemia de COVID-194. La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) especifica que la radiación utilizada en el campo médico debe utilizarse en beneficio de los pacientes y debe optimizarse5.

La tecnología de protección contra la radiación utilizada en las instituciones médicas está asociada con el tiempo y la distancia6. Las placas o láminas de plomo hechas de polvo de plomo y un polímero, como el caucho, se utilizan generalmente como pantallas de rayos X7. Sin embargo, debido a su toxicidad, el plomo plantea problemas de envenenamiento y eliminación. Por lo tanto, los escudos utilizados en instituciones médicas se fabrican cada vez más con materiales sin plomo8. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos médicos, suministros e instalaciones que usan radiación todavía usan plomo como material de protección. Por lo tanto, para superar este problema, se debe ampliar el uso de materiales sin plomo baratos y ecológicos con un rendimiento de blindaje equivalente al plomo.

Los materiales como el tungsteno, el óxido de bismuto, el sulfato de bario y el boro suelen utilizarse como alternativas al plomo9. Teniendo en cuenta el rendimiento del blindaje, el tungsteno es el material de blindaje ecológico más útil. En general, los materiales de blindaje de reemplazo de plomo deben ser no tóxicos y tener flexibilidad y procesabilidad. Además, los materiales deben proponerse como un material que tenga una excelente afinidad con el polímero a mezclar o como un material capaz de reducir el peso al fabricar un escudo. Los tipos de pantallas que se pueden producir con estos materiales de protección incluyen placas, fibras y láminas, y es posible prensar o moldear por inyección en la forma deseada según la tecnología del proceso.

Un escudo tipo fibra se teje a partir de un hilo impregnado con el material de protección. Sin embargo, el rendimiento del blindaje está limitado por los poros generados entre el hilo durante el proceso de tejido. Por lo tanto, los escudos a base de fibra se utilizan principalmente para proteger contra la radiación secundaria (o dispersa)10. Un escudo en forma de lámina se fabrica mezclando un polímero y un material de protección, que se comprime al espesor requerido. El elemento más importante de este proceso es la dispersión uniforme del material de protección. El proceso de dispersión del material de blindaje afecta la reproducibilidad del rendimiento del blindaje y es difícil de aplicar a la producción en masa sin la estandarización del proceso de producción11.

El escudo en forma de placa de un solo componente comprende el 100% del material de blindaje y se fabrica a través del proceso de laminación. Cuando se selecciona el tungsteno como material de protección durante la fabricación de placas de un solo componente, la procesabilidad de la producción es baja debido a su alto punto de fusión12. Por lo tanto, la elección del material de protección para las placas de protección de un solo componente es limitada. En los últimos años, la flexibilidad de las placas se ha obtenido mediante el uso de materiales compuestos y la placa fabricada de esta manera se ha utilizado ampliamente como material para aplicaciones tales como paredes de blindaje13. Los materiales para otras aplicaciones de protectores, como bloques, protectores de jeringas y aberturas utilizadas en instituciones médicas, se fabrican mediante moldeo por inyección mezclando un material de protección y un polímero14. La miscibilidad de las partículas de metal con el polímero es un factor crucial que afecta la procesabilidad y el rendimiento de blindaje de los materiales compuestos.

Un delantal es un escudo de rayos X representativo de una institución médica, que se fabrica en forma de ropa y lo usan el personal médico y los trabajadores. Por lo tanto, debe fabricarse en una forma delgada y ligera para garantizar la movilidad sin restricciones del usuario. El delantal de protección contra rayos X actualmente disponible supone una carga física para el usuario porque pesa entre 2,85 y 3,15 kg para un producto con un equivalente de plomo de 0,25 mmPb15. La reducción de peso de la prenda protectora puede estar limitada porque está directamente relacionada con la densidad y la masa del material protector. Aunque la movilidad del usuario puede mejorarse reduciendo el grosor de la hoja, esto reduciría el rendimiento de protección. Un método para mejorar el rendimiento del blindaje es la dispersión controlada del material de blindaje. La atenuación de la energía de rayos X incidente se produce por su interacción con las partículas del material de blindaje, que puede incrementarse al permitir que la radiación interactúe con un mayor número de partículas16. Por lo tanto, la tecnología de dispersión de partículas del material de blindaje es el factor más crucial en términos de desempeño de blindaje, reducción de peso y reproducibilidad del desempeño de blindaje, especialmente para las estructuras compuestas de capa delgada.

En la naturaleza se encuentran varios tipos de estructuras compuestas inusuales. Las alas de la mariposa morfo están compuestas de películas delgadas de múltiples capas de tamaño micro y muestran una disposición regular. Debido a la estructura de la superficie única, solo se refleja la luz azul y las alas de la mariposa aparecen azules17. Las arrugas se pliegan en los pilares izquierdo y derecho con un intervalo de aproximadamente 700 nm y una altura de 2 μm, y el intervalo entre las arrugas superior e inferior es de aproximadamente 200 nm18. En este estudio, la estructura de las alas de mariposa se utilizó como modelo para la dispersión de partículas en un escudo de rayos X. El patrón se completó con superposiciones repetidas, similar a la teja utilizada para el techo de un edificio coreano. Además, para mantener la reproducibilidad de este patrón, se utilizó el método de electrohilado para aplicar la misma cantidad de material de protección en el mismo lugar. El material de protección eran partículas de polvo de tungsteno ecológicas. Aunque el tungsteno tiene un número atómico de 74 y una densidad superior a la del plomo (19,25 g cm−3), es posible reducir el peso reduciendo el grosor del escudo19. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo evaluar el rendimiento de blindaje de un escudo con un patrón similar a las alas de una mariposa basado en estos materiales.

Además, este estudio tiene como objetivo mejorar el rendimiento del blindaje al hacer que el papel de protección contra la radiación sea lo más delgado posible para que pueda usarse en una estructura de varias capas e inducir la interacción con la radiación de partículas. El papel protector producido se puede utilizar en una estructura laminada flexible debido a su espesor reducido. Por lo tanto, este estudio informa sobre una nueva tecnología de radiación médica para fabricar papeles protectores delgados utilizando la estructura de ala de mariposa morfo. Además, el método propuesto se puede utilizar para producir en masa el papel ligero de protección contra la radiación y mejorar la seguridad de los trabajadores médicos.

Se debe aumentar la radiación. La tecnología de dispersión de partículas del material de blindaje puede mejorar el rendimiento del blindaje aumentando estas interacciones. Por lo tanto, para un medio compuesto por polímero y partículas de tungsteno, la reducción en la intensidad de la energía incidente por su interacción con una masa por unidad de área del material de blindaje se puede calcular mediante la Ecuación de Beer-Lambert20:

donde \({I}_{0}\) es la intensidad del fotón incidente, \(I\) es la intensidad del fotón atenuado, \(\rho \) (g cm−3) es la densidad, y \(\mu \)(cm−1) y \({\mu }_{m}\)(cm2 g−1) son los coeficientes de atenuación lineal y de masa, respectivamente. El grosor del escudo, \(d\)(cm), corresponde a la distancia a la que el rayo incidente interactúa con las partículas del material de blindaje. Por lo tanto, \({d}_{m}\) (g cm−2) es la masa por unidad de área del papel de protección, y cuando se calcula como el espesor de la protección, se puede expresar como las Ecs. (2), (3):

donde \({W}_{i}\) es la relación en peso del \(i\)ésimo componente21. Esto implica que la cantidad de materiales de protección en el escudo de radiación debe ser mayor para aumentar la masa por unidad de área. Por lo tanto, para mejorar el efecto de protección con un aumento mínimo de masa, se debe aumentar la unidad de área del material de protección. El área de la sección transversal atómica total \({\sigma }_{a}\)(cm2 g−1) del papel protector se puede estimar utilizando el coeficiente de atenuación de masa. Calculando el número de átomos, la densidad electrónica se puede obtener como:

donde \({N}_{A}\) es la constante de Avogadro. Por lo tanto, el área de la sección transversal del electrón se puede obtener como:

donde \({Z}_{i}\), \({f}_{i}\), \(({\mu }_{m}{)}_{i}\), y \({ A}_{i}\) son el número atómico, la fracción molar, el coeficiente de atenuación de masa y el peso atómico del i-ésimo componente, respectivamente22.

Para aumentar la dispersabilidad de las partículas del material de protección, se aplicó una nueva estructura de dispersión para producir el papel de protección. La dispersión del material de protección se llevó a cabo para ampliar el área transversal atómica total, y se seleccionó la estructura de ala de mariposa morfo como el modelo más efectivo. La figura 1 muestra esquemáticamente el uso de la estructura multicapa del ala de la mariposa morfo para protección contra rayos X.

Vista ampliada del ala de una mariposa morfo y su aplicación al blindaje de rayos X.

Como se muestra en la Fig. 2, la superficie de las alas de la mariposa morfo se superpone, y cuando se ve desde la sección transversal, se puede ver que tiene una estructura de película delgada de múltiples capas. Estructuralmente, el grosor, el índice de refracción del ala y la periodicidad de la rejilla están diseñados para reflejar solo la longitud de onda azul23.

Estructura agrandada del ala de la mariposa morfo.

Los rayos X utilizados en las instituciones médicas tienen las características de baja rotación y son muy rectos. Por lo tanto, si están protegidos con un escudo de múltiples capas similar a una estructura de ala de mariposa morfo, el área de la sección transversal de la unidad de colisión de fotones puede ampliarse y se espera que aumente el efecto de protección. Por lo tanto, debido a que se puede implementar el mismo patrón a través de nanofibras, siempre que se pueda injertar un material de blindaje de tungsteno en dicha estructura, se puede usar la dispersión estructural para mejorar el rendimiento del blindaje.

La estructura de blindaje propuesta contiene dos materiales constituyentes, tungsteno y poliuretano. Como material de protección, se utilizó tungsteno en polvo (tungsteno, W, 99,9 %, < 4 µm, NanGong XinDun alloys spraying Co. Ltd., China). El polvo de tungsteno se trituró durante 5 min y luego se secó en un horno a 60 °C durante 24 h para controlar el tamaño de partícula. El polímero utilizado con tungsteno fue poliuretano (PU, P-7195A, PM 100 000–150 000, Songwon, Corea) que se secó en las mismas condiciones que el tungsteno. Se utilizó N-dimetilformamida (DMF, 99,5 %, Daejung, Corea) como disolvente para disolver el polímero. Se usaron dos solventes para preparar el papel protector; se usó cloroformo (95%, Duksan, Corea) como un mal solvente para controlar la tasa de volatilización del solvente y DMF para disolver el polímero. El método de preparación de la solución de hilado se muestra en la Fig. 3. Primero, el tungsteno se colocó en una botella de vidrio de 20 mL. Posteriormente, se agregaron 5.165 g de DMF y 2.785 g de cloroformo, se dispersaron durante 1 min con un molinillo ultrasónico y se mezclaron con un agitador magnético (Laboratory stirrer/hot plate, PC-420, Corning, México) a 600 rpm. Además, se añadieron 2,05 g de PU y, después de 10 min, la velocidad del agitador se redujo a 220 rpm y se continuó mezclando durante 12 h o más hasta que el polímero se disolvió por completo y se centrifugó.

Preparación de la solución de hilatura utilizada para la producción de papel protector de película delgada.

Para aumentar el poder de dispersión del material de blindaje, se mantuvo el electrohilado a 10 kV controlando el voltaje con una fuente de alimentación de alto voltaje (CPS-60K02VIT, Chungpa EMT Co., Corea del Sur), como se muestra en la Fig. 4. Además , la velocidad de giro se ajustó de modo que el caudal de una bomba de jeringa (bomba de jeringa, KDS100, SD Scientific Inc., Holliston, EE. UU.) fuera de 1,0 mL h − 1. En este proceso, debido a que la capacidad y la distancia de recolección afectar la formación del patrón de nanofibras debido al peso de las partículas de tungsteno, la jeringa se movió repetidamente para formar el patrón de nanofibras.

Método de electrospinning para aumentar el poder de dispersión del material de blindaje.

Para reproducir la estructura multicapa del ala de una mariposa morfo, se aplicó una técnica de electrospinning que mantuvo la misma direccionalidad. En general, las mallas de nanofibras se producen distribuyendo irregularmente las nanofibras sin una dirección fija durante el paso de recolección24,25. Sin embargo, si se fabrica una nanofibra que tiene una estructura de patrón en una dirección determinada y regular, se pueden reducir los errores resultantes de la estructura de patrón irregular cuando la radiación atraviesa el patrón interno de la nanofibra26,27. Además, si se aplica un patrón regular de nanofibras, la compacidad dentro del escudo se puede aumentar con la misma cantidad de material de protección. Como se muestra en la Fig. 5, se encontró que la estructura del ala de mariposa (Fig. 5a) y la estructura del patrón de polímero (Fig. 5b) coincidían.

Electrospinning del material de blindaje para aumentar su poder de dispersión. ( a ) Imágenes ampliadas de un ala de mariposa morfo, y ( b ) resultado de implementar el mismo patrón a través de electrospinning.

Las condiciones finales de dispersión del material de protección se muestran en la Tabla 1. El electrospinning se realizó manteniendo la distancia entre la aguja y la placa colectora a 13-15 cm, la humedad al 25-40 % y la temperatura a 22-25 °C. Además, 10 mL de la solución de electrohilado se electrocentrifugaron a intervalos de 1 h de 1 mL cada uno. Debido al peso de las partículas de tungsteno en el material compuesto fabricado, cuanto menor sea el tiempo de electrohilado después de la agitación, mejor será la dispersión.

Además, el papel de nanofibras se sometió a un proceso de postratamiento tres veces durante 10 s utilizando una prensa térmica (heating press, DHP-2, Dad Heung Science, South Korea) a una temperatura de 40 °C y una presión de 3000 psi. Este proceso se repitió cinco veces para obtener una hoja de papel protector de película delgada con un espesor de 0,1 mm. El papel protector de película delgada preparado se observó con un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM; S-4800, Hitachi, Japón) para analizar el grado de dispersión28. Se utilizaron dos criterios diferentes para la observación, es decir, qué tan bien se dispersaron las partículas del material de protección y qué tan cerca estaba el patrón de polímero de la estructura del ala de la mariposa morfo.

La evaluación del rendimiento de protección del papel de protección se basó en las condiciones geométricas que se muestran en la Fig. 629. La radiación médica utilizada en este experimento se convirtió en una energía efectiva, que es una sola energía. Por lo tanto, para medir la capa de valor medio (HVL), la pendiente se calculó a partir de la ley del coeficiente de atenuación (\(I={I}_{0}{e}^{-\mu x}\)), y la El coeficiente de atenuación lineal \(\mu \) se obtuvo a partir de esta pendiente, que posteriormente se calculó a partir de la HVL como 0,693/μ30. Además, se utilizó la tabla de coeficientes de atenuación de masa de Hubbell para calcular la energía efectiva que tiene el mismo valor que la HVL correspondiente a la energía única de la HVL obtenida anteriormente31. La tasa de protección del papel protector se calculó como \((1-\frac{W}{{W}_{0}})\times 100\)32, donde \(W\) y \({W}_ {0}\) son las dosis medidas con y sin papel protector entre el tubo de rayos X y el dosímetro, respectivamente. Además, para este propósito se utilizó el promedio de 10 mediciones realizadas con un generador de rayos X (Toshiba E7239, 150 kV–500 mA, 1999, Japón). El detector de dosis utilizó una cámara de iones (Modelo PM-30, 2019, EE. UU.). Además, para medir con precisión el dosímetro ionizante, se utilizó el factor de corrección por temperatura y presión atmosférica luego de confirmar que era 1,0 a una temperatura de laboratorio de 22 °C y 1 atm33.

Configuración experimental para evaluar el rendimiento de blindaje del papel protector.

El papel protector de película delgada producido se fabricó con el mismo proceso que el método de fabricación de la esterilla de nanofibras. Sobre la base del informe de que el efecto de absorción de la radiación aumenta cuando el patrón de nanofibras construidas dentro del papel protector tiene cierta direccionalidad, la estructura del patrón de las nanofibras se configuró para que fuera la misma que la estructura del ala de la mariposa morfo a través de el proceso de electrohilado. A través de esto, el área de la sección transversal donde la radiación y las partículas del material de protección pueden interactuar puede ampliarse y la densidad de la protección puede mejorarse.

La Figura 7 muestra las micrografías electrónicas del papel electrohilado con la misma estructura multicapa que el ala de una mariposa morfo. Como se muestra en la Fig. 7, el patrón de la sección transversal del papel protector era similar a la estructura del ala de la mariposa morfo. El patrón multicapa del papel protector se hilaba en una estructura multicapa uniforme controlando la direccionalidad durante el electrohilado.

Micrografías electrónicas de (a) un ala de mariposa morfo y (b) el papel electrohilado.

La microestructura del papel protector se muestra en la Fig. 8. Se encontró que la direccionalidad de las nanofibras se cruzaba entre sí. Las esteras de nanofibras preparadas antes de contener tungsteno se implementaron repetidamente en forma de cruce entre sí como una tela tejida.

Microestructura final de las nanofibras electrohiladas.

El grosor del papel protector flexible, como se muestra en la Fig. 9, era de 0,1 mm. Las características físicas del papel blindado se enumeran en la Tabla 2.

El aspecto del papel protector (a) muestra la flexibilidad del papel protector, (b) el aspecto del papel protector fabricado.

En cuanto al patrón implementado con nanofibras, en general, cuanto más compleja es la estructura, más aumenta la pérdida de nanofibras, por lo que puede ser difícil implementar el patrón en la forma deseada. Sin embargo, en este estudio, la distancia de giro se controló utilizando el peso de las partículas de metal de tungsteno. La Figura 10 muestra que las partículas de tungsteno se unieron al extremo de la superficie de la fibra debido al peso de las partículas, formando así una forma multicapa. Cuando las partículas de tungsteno se sometieron al tratamiento de termocompresión en el proceso final, se puede confirmar que se mejoró la miscibilidad de las nanofibras y el tungsteno, de modo que las partículas de tungsteno se dispersaron uniformemente. La densidad era tan alta como 2,463 g cm-3, y por unidad de área era de 0,641 kg m-2.

Micrografías electrónicas de sección transversal del papel protector.

El rendimiento de blindaje del papel de blindaje fabricado se comparó con el de un blindaje de plomo de 0,25 mm. Para esto, el número de capas en el papel protector se varió de uno a tres, y se tomaron imágenes de una mano fantasma usando rayos X. La Tabla 3 enumera los rendimientos de blindaje de muestras de plomo estándar de 0,1 a 0,3 mm (pureza del 99,9 %). Para la radiación de baja energía, 0,3 mmPb mostró la mayor eficiencia de blindaje de \(\ge \) 99%.

Teniendo en cuenta que el plomo utilizado en delantales para blindaje de rayos X en instituciones médicas es de 0,25 mmPb, el rendimiento de blindaje del papel protector desarrollado en este estudio se comparó con el de una placa de plomo de 0,25 mm y los resultados se muestran en la Tabla 4. Se apilaron tres hojas para obtener un papel protector de 0,3 mm de espesor. Los rendimientos de blindaje de la placa de plomo de 0,25 mm y el papel de blindaje apilado fueron diferentes en aproximadamente un 2 % para todas las energías de rayos X efectivas. La Tabla 5 enumera el rendimiento de protección de los papeles de protección de una, dos y tres capas. De manera similar al experimento anterior, el rendimiento de protección del papel de protección de tres capas fue equivalente a 0,296 mmPb.

Para verificar visualmente el efecto de blindaje, se comparan los resultados de la imagen de rayos X de la hoja de plomo y el papel de blindaje, como se muestra en la Fig. 11, usando un maniquí de mano con el mismo coeficiente de absorción que el del cuerpo humano. Como se desprende de la Fig. 11, el rendimiento de protección del papel de protección de tres capas es similar al de 0,25 mmPb, lo que indica que se puede utilizar como protección para aplicaciones médicas.

Imágenes de rayos X de una mano fantasma cubierta con (a) un papel de protección, (b) dos papeles de protección, (c) tres papeles de protección y (d) placa de plomo de 0,25 mm. (e) Estado de rayos X fantasma.

El blindaje contra la radiación de las instituciones médicas debe dar prioridad a garantizar la seguridad de la exposición de los pacientes y el personal médico. Sin embargo, el producto de protección proporcionado actualmente crea dificultades en la actividad del usuario debido a su peso. Por lo tanto, se debe desarrollar un producto que sea ligero y respetuoso con el medio ambiente. Se han realizado varios intentos para aumentar la densidad de los materiales de blindaje manteniendo el mismo rendimiento de blindaje para la misma área del blindaje34. Es un desafío superar el límite de masa porque el número atómico del material de protección debe ser alto. Sin embargo, el grosor del escudo se puede controlar a través de la tecnología de dispersión de partículas y el proceso de fabricación, y esto puede resolver el problema del peso hasta cierto punto.

En este estudio, se investigó una tecnología de dispersión de material de protección que maximiza la interacción partícula-radiación. Cuando las partículas dispersas interactuaron con la radiación incidente o cuando la energía transmitida se atenuó debido a la alta densidad del escudo, la intensidad de la energía incidente se atenuó35. Este estudio se inspiró en la estructura de las alas de las mariposas morfo y se realizó con la expectativa de que el efecto de blindaje fuera mayor que el del escudo tipo lámina existente si las partículas de tungsteno se dispersaban dentro de la estructura. Si se utiliza un material compuesto, uno que mezcla partículas de material de protección con un polímero, al fabricar una protección, existe un límite para el control del espesor de la protección. El factor más importante para el control del espesor es la miscibilidad del polímero y las partículas del material de protección. La mala miscibilidad da como resultado que los materiales poliméricos y de protección se agreguen, lo que dificulta el control del espesor y la uniformidad de la protección36. En este estudio, la tecnología de electrohilado se utilizó como una forma de resolver estos problemas y se confirmó el efecto de blindaje de acuerdo con el patrón de radiación. Por lo tanto, el método de dispersión de partículas de tungsteno existente se combinó con una nueva tecnología para reducir el grosor del escudo y mejorar el efecto de protección.

La producción de láminas de blindaje es el proceso más básico en la fabricación de una plataforma de blindaje, y el contenido del material de blindaje es de aproximadamente 80 a 85 % en peso cuando se fabrica con una lámina de 0,25 mm basada en el equivalente de plomo37. Además, cuando el contenido es superior al valor mencionado, se produce un problema en la resistencia a la tracción de la hoja. Por lo tanto, el espesor fabricado se mantiene aproximadamente entre 0,3 y 0,5 mm. El peso es de aproximadamente 2,80–2,914 kg m−2, y el contenido del material de protección es generalmente proporcional al peso de la lámina. En este proceso de fabricación de láminas, la dispersión uniforme de las partículas del material de protección es difícil porque las partículas no están dispuestas uniformemente durante el proceso de agitación del material polimérico y el material de protección. El peso de una sola hoja de papel blindado fabricado en este estudio fue de 0,641 kg m−2 y, cuando se apiló con tres hojas, fue de 1,923 kg m−2. Esto implica que 1 m2 de papel de blindaje, necesario para fabricar un delantal, pesaría alrededor de 2 kg. Por lo tanto, en comparación con los delantales existentes, el peso de un delantal, cuando se fabrica con el papel desarrollado, se puede reducir en aproximadamente 1 kg y puede mejorar aún más la movilidad del usuario.

Se puede lograr una mayor reducción en el grosor de la ropa de protección mediante el uso de partículas de protección de tamaño nanométrico. Sin embargo, cuando se fabrican fibras de blindaje utilizando nanopartículas, es ineficiente en términos de costo y tiene limitaciones en el procesamiento de materiales, lo que dificulta la producción en masa38. Cuando las partículas de tamaño nanométrico de material de protección se mezclan con materiales a base de caucho de alta densidad, pueden contener hasta un 90 % en peso del material de protección. Sin embargo, existe un límite para reducir el peso de la protección debido al alto contenido del material de protección. Además, cuando la pantalla se fabrica usando un proceso de compresión, el grosor de la pantalla puede reducirse, pero dado que la pantalla se fabrica en forma de película, existe un problema con la flexibilidad. Por lo tanto, para garantizar el rendimiento del blindaje, es necesario desarrollar tecnologías de producción en masa considerando la flexibilidad, la resistencia a la tracción, el peso y la durabilidad del blindaje39.

En el proceso presentado en este estudio, se mezclaron partículas de tungsteno y materiales poliméricos, y se realizó el electrohilado a través de una jeringa. Si esta tecnología de proceso se realiza mediante la instalación de una gran cantidad de jeringas, todas las muestras pueden obtener el mismo efecto de protección, por lo que se puede asegurar la producción en masa de las protecciones y la reproducibilidad del rendimiento de protección. Además, es eficaz en términos económicos, ya que puede utilizar partículas de material de protección de tamaño micro en lugar de partículas de tamaño nanométrico.

Como se mencionó anteriormente, el rendimiento de protección del papel se puede controlar manipulando su grosor y su densidad se puede controlar cambiando la temperatura y la presión (es decir, las condiciones de hilatura). Sin embargo, si se aplican presión y temperatura excesivas para mejorar el efecto de protección, la protección puede perder su flexibilidad. Además, el contenido del material de protección se puede aumentar durante el proceso de fabricación de la protección, pero se requiere una técnica delicada porque se produce una diferencia en la densidad de la protección dependiendo de la distancia a la que se hila la solución de hilatura. En particular, cuando se fabrican escudos en masa, el diseño de estas condiciones es más importante para reproducir el mismo rendimiento de blindaje.

Al controlar las condiciones de procesamiento, se pueden producir una variedad de estructuras adecuadas para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, el papel protector también se puede usar como prenda de protección contra la radiación contra la radiación médica indirecta (radiación dispersa) a una distancia de 1,5 m de la fuente de radiación. Además, este material podría utilizarse para fabricar productos médicos como guantes quirúrgicos40. Cuando se utiliza para el blindaje de radiación de dosis baja a menos de 100 mSv, el papel de blindaje podría ser eficaz para proteger al personal médico y a los pacientes41. Si se utiliza un material de blindaje que no sea tungsteno, puede contribuir al desarrollo de productos para el blindaje contra la radiación cósmica necesarios para la vida diaria, como ropa protectora para la tripulación y sombreros para el blindaje de la aviación. El grosor y el peso del escudo son factores importantes para proteger la radiación cósmica. Los resultados muestran que el material desarrollado usando el proceso propuesto exhibiría un comportamiento de blindaje efectivo. Por lo tanto, la producción de diversas prendas de protección que garanticen la actividad del usuario es posible con la tecnología de proceso presentada en este estudio.

Para reducir el peso del escudo de radiación utilizado en las instituciones médicas, se fabricó un papel de protección a partir de nanofibras con un patrón de alas de mariposa morfo. Cuando las partículas del material de protección se dispersan en un patrón multicapa, el espesor de la protección se puede reducir al tiempo que aumenta el área transversal de colisión de fotones, de modo que la intensidad de la radiación de partículas se puede atenuar de manera efectiva. En comparación con la hoja utilizada como material para el protector de plataforma existente, el peso del papel protector fabricado en este estudio se redujo en aproximadamente un 45 %. Además, el rendimiento de protección de una pila de tres hojas del papel de protección (grosor combinado = 0,3 mm) fue similar al obtenido mediante el uso de una hoja de plomo del mismo grosor. Por lo tanto, el papel protector fabricado por el proceso en este estudio podría usarse para desarrollar varios protectores livianos y trajes protectores para instituciones médicas.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado (y sus archivos de información complementaria).

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (MEST) (NRF. 2020R1I1A3070451).

Departamento de Ingeniería Biomédica, Facultad de Medicina de la Universidad de Keimyung, Daegu, Corea

Seon Chil Kim

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Keimyung, Daegu, Corea

Hongsik Byun

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SCK diseñó y realizó los experimentos, analizó los datos y editó el manuscrito. HSB diseñó los experimentos y escribió el manuscrito.

Correspondencia a Seon-Chil Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kim, SC., Byun, H. Desarrollo de papel de protección contra la radiación ultrafino a través del modelado de nanofibras de la estructura del ala de la mariposa morfo. Informe científico 12, 22532 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27174-y

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Recibido: 03 noviembre 2022

Aceptado: 27 de diciembre de 2022

Publicado: 29 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27174-y

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