利用静电纺丝、熔融静电纺丝和熔融纺丝技术在内部生产用于细胞级分辨率辐射探测器的聚合物薄膜（POFs）

《Journal of Applied Polymer Science》：In-House Production of POFs Using Electrospinning, Melt-Electrospinning and Melt-Spinning for Cell-Level Resolution Radiation Detectors

微米级塑料光纤（mPOF）的制备方法及其光学特性研究。比较了电纺（ES）、熔融电纺（MES）和熔融纺丝（MS）三种技术制备聚苯乙烯基mPOF的性能。实验表明，MS法可实现直径约10微米、光学透明性良好的光纤，为细胞级辐射剂量计提供新方案。

　　本文探讨了用于辐射剂量测量的微米级塑料光学光纤（mPOF）的制备方法，并比较了三种主要技术：静电纺丝（ES）、熔融静电纺丝（MES）和熔融纺丝（MS）。这些微米级光纤具有潜在的应用前景，特别是在需要高空间分辨率和组织等效性的微剂量测量中。研究重点在于光纤的形态、直径分布和光学性能，以评估每种方法在生产高质量mPOF方面的适用性。

在辐射治疗领域，近年来取得了显著进展，尤其是在使用质子束和重离子束的治疗方式中，由于其对肿瘤治疗效果的提升，受到了广泛关注。然而，目前的剂量测量设备通常较大，难以提供细胞级别的能量分布信息。这限制了对粒子相互作用和次级粒子生成的深入理解。因此，研究开发了具有更高空间分辨率和光学特性的新型检测器成为迫切需求。

塑料光学光纤（POF）作为一种常见的辐射检测材料，因其良好的组织相容性和可塑性，相较于石英光纤具有优势。此外，POF能够实现快速和实时的剂量测量，这使其在医学剂量测量和放射生物学研究中具有吸引力。然而，现有的商业POF通常直径较大，约为250微米，无法满足微剂量测量的高分辨率需求。因此，研究重点转向了生产更细直径的POF，特别是微米级别的塑料光纤（mPOF）。

静电纺丝（ES）是一种利用静电场将高分子溶液拉伸成纤维的技术。它能够在较低成本下生产出接近人体细胞大小的纤维，具有良好的表面均匀性和通透性。然而，由于静电纺丝过程中溶剂的快速蒸发，导致纤维内部形成大量气孔，从而降低了其光学透明度。此外，高湿度条件下，静电纺丝纤维的结构也受到影响，导致纤维更加多孔。虽然通过优化纺丝参数和后处理技术可以改善透明度，但整体上静电纺丝纤维在光学性能上仍然受到一定限制。因此，静电纺丝技术虽然能够生产微米级纤维，但难以满足高透明度和高重复性的要求。

相比之下，熔融静电纺丝（MES）是一种利用熔融态高分子材料替代溶液进行纺丝的技术。MES无需使用溶剂，因此避免了因溶剂蒸发而产生的多孔结构问题，提升了光纤的透明度。然而，由于熔融材料的高粘度和低导电性，MES在纤维连续性方面面临挑战。例如，熔融材料在喷嘴处迅速冷却，导致纤维断裂或形成不连续的珠状结构。尽管通过调整加热温度和施加电压可以改善纤维的形成，但整体上MES在生产过程中仍存在一定的重复性和稳定性问题。

熔融纺丝（MS）则是一种广泛应用于纺织工业的工艺，能够通过喷嘴将熔融态高分子材料拉出成纤维。该技术具有较高的生产效率和良好的环境友好性，但其在微米级光纤生产中的潜力尚未完全开发。通过优化加热温度、拉伸速度和喂料速率等参数，MS能够生产出具有较高透明度和良好结构的微米级塑料光纤。此外，MS纤维的直径控制较为稳定，可以达到接近细胞大小的水平。尽管其直径略大于当前市场上的商品化光纤，但通过调整喷嘴尺寸，可以进一步减小纤维的直径，从而满足微剂量测量的高分辨率需求。

实验过程中，研究人员采用了多种参数组合进行测试，包括溶剂比例、聚合物浓度、施加电压、喂料速率和工作距离等。通过这些参数的调整，研究人员成功地生产出直径在10微米以下的塑料光纤，并对它们的光学性能进行了评估。测试表明，MS方法在生产微米级光纤方面表现最为优异，能够实现较高的透明度和良好的重复性。相比之下，ES和MES在纤维的透明度、对齐性和重复性方面存在一定的局限。

此外，研究还关注了光纤的光学特性，如光传输能力和光衰减长度。通过实验测试，研究人员发现MS生产的光纤在光传输能力方面与商业化的塑料光纤相当，具有良好的应用前景。然而，由于实验条件的限制，这些光纤在实际应用中仍需进一步优化，以提升其光学性能和机械稳定性。

总的来说，这项研究为开发适用于微剂量测量的高分辨率塑料光纤提供了重要的技术基础。尽管静电纺丝和熔融静电纺丝方法在某些方面具有优势，但熔融纺丝方法在生产透明、高重复性的微米级光纤方面表现最佳。未来的研究方向将包括在光纤中引入发光材料，以提升其辐射检测性能，并探索具有更强发光特性的聚合物材料，从而进一步拓展mPOF在辐射监测和医学剂量测量中的应用潜力。