对X射线、电子束和伽马射线辐照对聚丙烯衍生物的化学、热学和机械性能影响的研究

《Macromolecular Chemistry and Physics》：Investigation of X-Rays, e-Beam, and Gamma Irradiation on Chemical, Thermal, and Mechanical Properties of Polypropylene-Derivatives

本研究探讨了γ射线、电子束和X射线辐照对医用聚丙烯（PP）材料的影响，发现辐照未显著改变其机械性能，但熔点随剂量增加略有下降。ESR检测到过氧自由基，其浓度与辐照类型无关，但随时间衰减。颜色分析表明辐照导致PP-1黄化，可能与添加剂有关。HPLC显示氧化程度主要由PP配方决定，而非辐照技术。结论指出PP的辐照行为主要由其化学配方决定。

　　本研究围绕三种常见的辐射技术——伽马射线、电子束（e-beam）和X射线对医用级聚丙烯（PP）的影响展开，旨在评估这些技术对PP材料的化学与物理特性变化。作为广泛应用于制药行业的重要材料，PP在医疗设备如注射器、手套和一次性塑料袋中扮演着关键角色。其优异的性能、化学稳定性、机械和热特性以及成本效益使其成为生产塑料部件（如过滤器、连接器、夹具等）的首选材料。然而，随着生物制药产品的快速发展，对医疗设备的灭菌需求也日益增长，辐射技术成为主要的灭菌手段之一。

在所有灭菌技术中，伽马射线因其稳定性与可靠性被广泛采用，通常由钴-60同位素产生。尽管如此，未来伽马射线的灭菌能力可能受到一定限制，因此电子束和X射线等替代技术正在被探讨。电子束是由加速器将电子加速后产生的，而X射线则是通过电子束撞击高密度材料（如钨或钽）转化为光子。与伽马射线类似，X射线和电子束也属于光子辐射，但它们在穿透力和剂量分布方面存在显著差异。电子束的穿透力较弱，通常只能穿透约5厘米的材料，因此在使用电子束进行灭菌时，可能需要调整包装或灭菌几何结构以确保均匀性。相比之下，伽马射线和X射线的穿透力更强，适用于更厚或更复杂的材料。

本研究重点考察了三种辐射技术对PP材料的潜在影响。实验中使用了两种剂量水平——50 kGy和100 kGy，并通过多种分析手段评估了材料的变化。这些手段包括电子自旋共振（ESR）用于检测自由基，差示扫描量热法（DSC）用于分析热行为，拉伸测试用于评估机械性能，色度分析用于研究颜色变化，以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于观察化学结构的改变。此外，高分辨率液相色谱（HPLC）被用来评估氧化反应的强度，通过检测甲硫氨酸的氧化产物来间接反映材料的氧化倾向。

研究发现，三种辐射技术对PP的机械性能影响较小。无论是50 kGy还是100 kGy的剂量，拉伸测试结果显示，断裂伸长率和抗拉强度均未发生明显变化。这表明，PP在经历这些辐射处理后，仍能保持其原有的机械强度和延展性。然而，热分析结果表明，随着剂量的增加，PP的熔点有所下降，这可能与材料结构的变化有关，如结晶度降低或链结构的改变。尽管如此，材料的整体热稳定性仍然保持良好，说明即使在较高剂量下，PP仍能维持其热性能。

在自由基生成方面，ESR分析显示，三种辐射技术在相同剂量下产生的自由基浓度相近，且随着时间推移，这些自由基的浓度逐渐降低。这一现象表明，无论采用哪种辐射技术，PP材料中生成的自由基在一定时间内会自然衰减。值得注意的是，PP-3样本中检测到一种额外的自由基信号，这可能与其特定的配方有关，其中包含能够生成稳定自由基的氮基成分。该信号在老化60天后变得更加显著，显示出材料配方对自由基行为的影响。

在颜色变化方面，色度分析显示，PP在受到伽马和X射线照射后出现了明显的黄变现象，而电子束照射的PP则没有类似的色变。这种颜色变化可能与材料中某些添加剂有关，这些添加剂在辐射作用下发生氧化反应，导致PP表面出现黄化。相比之下，PP-2在三种技术照射后颜色变化不显著，说明其配方可能对颜色稳定性具有更好的控制。

红外光谱分析进一步验证了PP材料的化学结构变化。在1680-1700 cm?1的羰基吸收区域，PP的光谱显示出一定的变化，但这些变化并未形成明显的特征峰，表明材料的化学结构在辐射作用下并未发生显著改变。此外，所有PP样本的红外光谱在基线校正和归一化处理后，显示出相似的特征，进一步支持了PP在辐射处理后结构基本保持稳定的观点。

在氧化评估方面，HPLC检测显示，PP的氧化倾向主要取决于其配方，而非辐射技术本身。对于PP-1、PP-2和PP-5等样本，甲硫氨酸的氧化程度较高，而PP-3、PP-4和TPE样本则表现出与未照射样品相似的氧化水平。这说明不同配方的PP对氧化反应的敏感性存在差异，因此在选择灭菌技术时，材料的配方是一个重要的考量因素。

综合来看，本研究发现，尽管三种辐射技术在不同剂量和应用条件下对PP的化学和物理特性产生一定影响，但这些影响总体上是有限的。特别是机械性能和化学结构的稳定性未受到显著破坏，这为这些技术在医疗设备灭菌中的应用提供了支持。然而，PP的配方在决定其对辐射的响应中起着关键作用，表明材料的化学组成是影响其性能变化的核心因素。因此，在实际应用中，应综合考虑材料配方与灭菌技术的匹配性，以确保最终产品的质量和安全性。

此外，本研究还强调了不同辐射技术在实际应用中的差异。例如，电子束的高剂量率（可达5 kGy/s）可能对材料的温度控制提出更高要求，而伽马和X射线的较低剂量率则在一定程度上有助于维持材料的稳定性。同时，研究结果表明，无论采用哪种技术，PP的性能变化主要与配方相关，而非技术本身。因此，对于相同配方的PP，不同灭菌技术对其性能的影响可能相对较小，这为替代技术的引入提供了理论依据。

本研究的意义在于，为医疗行业提供了关于PP在不同灭菌技术下的性能评估，有助于理解材料在辐射作用下的行为变化。这些结果对于选择合适的灭菌技术至关重要，特别是在需要平衡灭菌效率与材料性能的前提下。此外，研究还揭示了材料配方对性能变化的关键影响，为开发更稳定的医用级PP提供了新的思路。

总体而言，该研究通过多维度的分析方法，全面评估了三种辐射技术对PP的影响，为医疗设备制造商和研究人员提供了有价值的参考信息。这些发现不仅有助于优化灭菌流程，还为材料科学领域提供了新的视角，特别是在探索如何通过配方调整来提高材料对辐射的耐受性方面。未来的研究可以进一步探讨不同配方对材料性能的具体影响机制，以及如何在实际应用中实现更高效的灭菌效果。