Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 7
1.1. Микрошарики и требования к их производству 9
1.2. Общие представления о радионуклидной терапии 10
13. Требования к радиоизотопам, применяемым или перспективным для применения в брахитерапии 14
1.4. Микрошарики и их возможные применения в медицине 17
1.4.1. Керамические микрошарики 20
1.4.2. Полые стеклянные и керамические микрошарики 21
1 4.3. Полые стеклянные микрошарики с пористыми стенками 24
1.4.4. Керамические микрошарики на основе ортофосфата кальция 28
1.4.5. Стеклокерамические микрошарики для термотерапии 29
1.4.6. Фосфатные стеклянные микрошарики 30
1.4.7. Стеклянные микрошарики, содержащие рений 31
1.4.8. Стеклянные микрошарики, содержащие гольмий 32
1.4.9.Стеклянные микрошарики для радиационной синовэктомии 32
1.4.10. Стеклянные микрошарики на основе итгрий-алюмосиликатной системы (YAS) 34
1.4.11. Композитные стеклянные микрошарики для термотерапии и радиотерапии 36
1.4.12. Стеклянные микрошарики с лютецием 37
1.4.13 Описание технологии и область применений рассматриваемых материалов 39
1.5. Выводы по обзору литературы 41
2. Методическая часть 42
2.1. Методы исследования структуры и свойств стекол 42
2.1.1. Рентгенофазовый анализ (РФА) 42
2.1.2. Дифференциально-термический анализ (ДТА) 42
2.1.3. Оптическая микроскопия 43
2.1.4. Диагностика YAS микрошариков методом РЭМ-РСМА 43
2.1.5. Определение свободной удельной поверхности и пористости методом БЭТ 43
2.1.6. Конфокальная рамановская микроспектроскопия и микро-флуоресцентный анализ 44
2.1.7. Фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия 44
2.1.8. Токсикологические испытания YAS микрошариков 45
2.1.9. Измерения плотности 46
2.1.10. Метод определения распределения частиц по размерам на лазерном гранулометре 47
2.1.11. Метод определения распределения частиц по размерам с помощью ситового анализатора 47
2.1.12. Сканирующая электронная микроскопия 48
2.1.13. Метод проведения экспериментов по кислотному выщелачиванию 48
2.1.14. Метод проведения экспериментов по выщелачиванию 48
2.1.15. Методы определения содержания ионов в растворе 49
2.1.16. Метод определения химического состава с помощью лазерного анализатора.49
2.1.17. Методика расчета параметров барабанной шаровой мельницы 50
2.1.18. Определение химической устойчивости 53
2.1.19. Методика радиационных испытаний микрошариков 54
3. Результаты работы и их обсуждение 56
3.1. Особенности процессов варки и выработки иттрий-алюмосиликатных стекол для брахитерапии 56
3.1.1. Подходы к варке стекол типа YAS на лабораторной технологической линии 59
3.1.2. Выбор реактивов и методика приготовления шихты 62
3.1.3. Технические требования и характеристика электрической лабораторной печи для варки тугоплавких иттрий-содержащих стекол для брахитерапии 67
3.1.4. Синтез YAS стекол в лабораторной печи 72
3.1.5. Выработка YAS стекол 75
3.2. Физико-химические свойства иттрий-алюмосиликатных стекол 76
3.3. Специфика измельчения YAS стекла для получения микрошариков 80
3.4. Классификация порошков YAS стекла для получения стеклянных микрошариков 84
3.5. Методика получения микрошариков для брахитерапии 106
3.5.1. Преимущества получения YAS микрошариков для брахитерапии в высокотемпературной плазме по сравнению с оплавлением в газопламенной струе 106
3.5.2. Получение микрошариков на плазмотроне и их фракционирование 113
3.6. Иттрий-алюмосиликатные микрошарики с повышенным содержанием иттрия 128
3.7. Лютеций иттрий-алюмосликатные стекла и микрошарики для ядерной медицины 137
3.8. Разработка микрошариков с обедненным по редкоземельному элементу поверхностным слоем 141
Выводы 146
Список литературы 149
- Общие представления о радионуклидной терапии
- Выбор реактивов и методика приготовления шихты
- Классификация порошков YAS стекла для получения стеклянных микрошариков
- Разработка микрошариков с обедненным по редкоземельному элементу поверхностным слоем
Введение к работе
Актуальность работы
Ядерная медицина находится на стадии бурного развития и превращения в неотъемлемую часть клинической практики. Рост потребностей медицины в новых типах радиофармпрепаратов обусловлены в первую очередь ростом числа онкологических заболеваний, одним из способов лечения которых является локальная радиотерапия пораженного органа (радионуклидная терапия или брахитерапия). При локальном облучении многих опухолей, например, печени и поджелудочной железы, необходима эмболизация сосудов, питающих пораженные органы. Наиболее удачной формой для введения микроисточников радиации в этих случаях являются микрошарики размеров, сопоставимых с диаметрами кровеносных сосудов.
Первые разработки, связанные со сфероидизованными стеклообразными материалами для ядерной медицины, начались более 10 лет назад. В настоящее время стеклянные микрошарики на основе системы У2Оз-А12Оз-8і02 (YAS) широко и успешно применяются в радиотерапии за рубежом. Перед введением микрошариков в организм больного они подвергаются реакторному облучению и становятся р-излучателем в результате образования изотопа 90Y. Существующая технология обладает рядом недостатков, связанных с опасностью выхода радиоактивного иттрия в организм и невозможностью тестировать распределение микрошариков в опухоли во время лечения (локального облучения) и последующей эмболизации. Желательно и увеличение содержания оксида иттрия в стекле с целью снижения массы вводимой дозы препарата.
В России подобных исследований ранее не проводилось, и практика применения иттрий-содержащих микрошариков в брахитерапии отсутствует.
Цели работы
1. Разработка новых сфероидизованных материалов для ядерной медицины на основе YAS системы:
стеклянных микрошариков с повышенным содержанием оксида иттрия,
стеклянных микрошариков с обедненным по радиоизотопу поверхностным слоем, обеспечивающим невозможность выхода радиоизотопа за его пределы;
- YAS микрошариков, содержащих в диагностических целях у-излучатель наряду с р-излучателем - изотопом Y.
2. Создание первой в России технологической линии производства стеклообразных микрошариков для нужд ядерной медицины.
Научная новизна результатов работы
-
Показано, что в системе YAS с помощью интенсивных методов варки и выработки могут быть получены стекла из расплава с содержанием Y203 до 23 мол. %.
-
Установлено, что обедненный по иттрию поверхностный слой, полностью исключающий возможность выхода радиоизотопа за пределы микрошарика, можно сформировать травлением микрошариков в соляной кислоте. Глубину обедненного по иттрию поверхностного слоя можно варьировать в широких пределах в нано- и микромасштабе.
-
Изучено стеклообразование в системе Ьи2Оз-У2Оз-АІ20з-8і02 (LYAS) и предложен способ получения микрошариков, сочетающих терапевтическое действие Р-излучения изотопа '"Y с возможностью диагностирования in situ их перемещений и локализации в организме пациента.
Практическая значимость результатов работы
-
Разработана, сконструирована и введена в эксплуатацию линия производства сфероидизованных материалов на основе стекла для ядерной медицины. Линия позволяет синтезировать стекла различных систем в платиновых и корундовых сосудах при температурах варки до 1650 С с применением различных методов выработки стекломассы, в том числе «коротких» стекол, проводить прецизионное измельчение стекол и получать порошки заданной дисперсности, сфероидизовать их с помощью плазмотрона собственной конструкции и выделять узкие фракции порошков и микрошариков начиная с 15 мкм.
-
Синтезированы стекла на основе YAS системы, получены и запатентованы микрошарики из стекла на основе YAS системы с содержанием оксида иттрия до 23 мол. % для использования в брахитерапии, в частности, для лечения рака печени. Проведены токсикологические, радиологические, клинические испытания данных микрошариков. Получено разрешение на их применение в медицинской практике на территории России.
Апробация работы и публикации
Результаты исследований представлены на III и IV Международных конференциях Российского химического общества им. Д.И. Менделеева (2011, 2012), Международном молодежном конгрессе по химии и химической технологии (МКХТ-2010, МКХТ-2011), International Congress on Engineering and Technology (Shanghai, China, 2011), XIX Международной научно-технической конференции "Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов" (Обнинск, 2010). Автор данной работы - лауреат V Конкурса проектов молодых ученых в рамках XVI Международной выставки «Химия-2011». Работа удостоена гран-при III Международного форума по интеллектуальной собственности (2011 г.) и золотой медали XIII Международного форума «Высокие технологии XXI века». Автор выражает признательность сотрудникам ООО «Бебиг» за проведение медицинских испытаний микрошариков. По теме диссертации опубликовано 10 работ, среди которых две работы в рецензируемых журналах и патент РФ. Работа выполнена при поддержке гранта Минобрнауки 11.G34.31.0027.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка использованной литературы из 139 источников. Работа изложена на 163 страницах, включает 92 рисунка и 30 таблиц.
Общие представления о радионуклидной терапии
Лечение злокачественных опухолей является одной из наиболее актуальных проблем клинической медицины: онкологические заболевания занимают второе место по частоте после патологии сердечно-сосудистой системы.
Лечение злокачественных опухолей печени является одной из наиболее актуальных проблем клинической онкологии. Поиск минимально инвазивных и вместе с тем эффективных способов терапии стимулировал разработку внутрисосудистых вмешательств под рентгенологическим контролем. В настоящее время наблюдается бурное развитие интервенционной радиологии и минимально инвазивной хирургии. По данным зарубежных исследований, число выполняемых диагностических и лечебных интервенционных процедур увеличивается более чем на 10 % в год [33].
Лучевая терапия, в которой радионуклидный источник находится вблизи или непосредственно в ткани, которая подвергается лечению, имеет много преимуществ перед внешней лучевой терапией, включая меньшее количество процедур облучения и более низкие показатели заболеваемости здоровой ткани. Первый радионуклид, используемый в локальной лучевой терапии, был радий-226 [34]. С тех пор было разработано много новых способов доставки радиации, и увеличилась безопасность выполнения процедур.
Для выбора оптимального изотопа необходимо, чтобы он удовлетворял терапевтическим потребностям врача и пациента. То есть нужно принимать во внимание определенную болезнь, продолжительность лечения, конечную цель лечения, комфорт пациента и эффективность воздействия. Например, выбор идеального изотопа для лечения различных раковых образований зависит от потребности внутриполостного или внутритканевого внедрения. Поскольку внутритканевое внедрение является в основном постоянным, то изотоп, отобранный для этой цели, имеет более длительный период полураспада и более низкие энергии (например, 1251 и 103Pd) по сравнению с другими источниками. Внутриполостное внедрение, в отличие от внутритканевого, проводится в полость тела в непосредственной близости от целевой ткани. Этот тип имплантации изотопа главным образом применяется для лечения опухолей шейки матки, носоглотки и пищевода. В связи с возможностью удалять имплантируемый материал после лечения, изотопы, применяемые для внутриполостного внедрения, обладают высокими энергиями излучения (например, 137Cs и 1921г), которые обеспечивают более однородное экспонирование облучения по объему, чем источники с низкой энергией [35]. Преимущества радионуклидной терапии перед другими лечебными воздействиями:
1. Малая инвазивность.
2. Селективность воздействия.
Из указанных основных вытекают остальные преимущества методик рентгеноэндоваскулярной терапии;
- более короткий период выздоровления по сравнению с оперативным лечением;
- снижение числа осложнений;
- повышение эффективности противоопухолевого действия;
- возможность проведения повторных курсов;
- использование в комбинации с другими видами лечения.
Вот соображения, которые были приняты во внимание при разработке этой терапии:
1. Стабильность микрочастиц.
2. Выбор радионуклида, который будет связан с ними.
3. Способ доставки и последующее воздействие на нормальную ткань.
4. Оптимизация эмболизации в сосудах опухоли.
Эти соображения подчеркивают, насколько важен способ доставки агента для осуществления лечения - зачастую как провести лучевую терапию так же важно, как и то, какой радионуклид использовать [36].
В настоящее время внутриартериальная лучевая терапия в основном используется для лечения опухолей печени. Внешняя радиотерапия традиционно считалась неэффективной для опухолей печени. Основной способ доставки к опухоли радиоактивных стеклянных частиц заключается в их введении через катетер непосредственно в опухоль или в артерии и сосуды, которые эту опухоль питают. Типичные катетеры для этих целей состоят из нержавеющей стали или титана, при этом имеют двойную стенку, чтобы, по возможности, при введении защитить окружающие здоровые ткани от воздействия радиации.
Одним из примеров внутриартериальной лучевой терапии является использование иттрий-алюмосиликатных микрошариков. Микрошарики с иттрием-90, после того, как их вводят в печеночную артерию, блокируют капилляры печени, вызывая эмболизм (закупорку сосуда). Таким образом, они не только ограничивают кровяной поток к печени, но и производят радиоактивное облучение опухоли, не трогая здоровую паренхиму (ткань) печени, окружающую орган и жизненно важные сосудистые структуры. Механизм внутриартериальной терапии печени основан на том факте, что питание новообразований печени на 90-95 % осуществляется за счет артериальной крови, в то время как нормальная ткань имеет двойное кровоснабжение: 70 % из воротной вены и лишь 30 % и печеночной артерии. Размеры микрошариков варьируются от 20 до 40 мкм. После введения в печеночную артерию, микрошарики внедряются в сосудистую сеть опухоли и не попадают в венозную систему, так как конечная артериола меньше 10 мкм. Микрошарики, в конечном итоге, остаются в микрососудистой системе печени и опухоли до полного распада радиоизотопа (рисунок 1).
Благодаря способности высвобождать высокую энергию и длинному пробегу, иттрий-90 способен переносить р-излучение не только к нужной клетке, но и к смежным с ней клеткам (эффект «перекрестного огня»). Действительно, более 90 % излучаемой радиации поглощается в рамках эффективной длины пробега в 5 мм (соответственно диаметру 100-200 клеток). Терапевтические бета-частицы оказывают как прямое, так и косвенное влияние на целостность клеток; прямое (10 %) - через так называемый первичный лучевой эффект, который наносит непоправимый ущерб структуре двуспиральной ядерной ДНК, и косвенный (90 %) - через так называемый вторичный лучевой эффект, который увеличивает количество токсичных свободных радикалов в цитозоле посредством радиолиза воды. Толщина брюшной стенки достаточна, для того чтобы защитить другие органы от излучения иттрия-90. Вне тела может быть обнаружено только слабое вторичное рентгеновское излучение (тормозное излучение). Средняя энергия и средний пробег частиц достаточно высоки, чтобы лечить и более крупные опухоли.
Выбор реактивов и методика приготовления шихты
Физико-химические постоянные стекла являются сложной функцией химического состава. Поэтому точность воспроизведения состава стекла является одним из главных критериев его качества. Он достигается, в первую очередь, выбором материалов, их химической чистотой и однородностью смеси, во-вторых, точностью, с которой выдерживается соотношение сырьевых материалов в смеси. В производстве оптических и особо чистых стекол в качестве реактивов используются химические соединения высокой степени чистоты, вплоть до особо чистых химических веществ (О.С.Ч.).
Для создания микрошариков из YAS стекол для радиационной терапии следует использовать реактивы, качество которых должно быть не хуже значений, представленных в Таблице 5 для оксида иттрия, в котором наиболее вероятно, по сравнению с оксидами кремния и алюминия, присутствие редких земель.
Использование аморфного кремнезема обусловлено тем, что оно позволяет заметно снизить температуру варки стекла в сравнении со стеклом, сваренным с использованием кварцевой крупки. Известно, что процессы диссоциации и дегидратации соединений обусловливают появление свободных нескомпенсированных связей на поверхности частиц, рост реакционной поверхности и химической активности веществ. С дальнейшим увеличением температуры структура полученных в результате разложения оксидов уплотняется, и их активность существенно снижается. На этом основании в качестве исходных компонентов следует брать А1(ОН)з (таблица 6) вместо АЬОз и аморфный SiCb.
Подготовка и тщательное смешивание сырьевых материалов в однообразную шихту обуславливает качество сваренной стекломассы. Приготовление шихты для микрошариков по существу не отличается от приготовления шихты для оптических стекол бесцветных или цветных. В отделении приготовления шихты установлены бочкообразные смесители, в которых смешивание осуществляется при свободном падении зерен материала во время вращения смесителя вокруг оси, не совпадающей с осью симметрии барабана (рисунок 17.).
Внутренняя поверхность смесителя изготовлена из кварцевого стекла с регламентированным по примесям химическим составом. Использование такого материала обеспечивает высокую чистоту и соответствие химического состава шихты расчетному синтетическому составу синтезируемого стекла. В изделиях из кварцевого стекла содержание примесей не превышает значений, указанных в таблице 8.
Отделение приготовления сухой части шихты укомплектовано настольными весами высокой точности взвешивания (0,001 г или выше) — типа Vibra AJ-1200CE или Sartorius GC803S-0CE, совками алюминиевыми, безгвоздевой деревянной тарой, алюминиевыми емкостями для готовой шихты и фритты, деревянными молотками и лопатками. Предпочтительно, чтобы вся оснастка не содержала металлических компонентов.
Входной контроль основных материалов проводят в соответствии с таблицами 5-7. Расчет состава шихты проводят с учетом результатов входного контроля на заданное количество стекломассы согласно химическому составу стекла.
Результаты расчета шихты оформляются в виде шихтной карточки лабораторной варки стекла, в которой должны быть указаны: марка стекла, номер варки, наименование и масса сырьевого материала, масса и номера варок использованного сортированного боя, расчетчик шихты и дата проведения расчета.
Для взвешивания каждого сырьевого материала используют отдельную сухую тару из нержавеющей стали, пластмассы или полиэтилена. Допускается использование в качестве тары, изготовленные из бумаги коробы, на которых наносят наименования сырьевых материалов. Взвешивание и засыпку сырьевых материалов следует проводить не позднее, чем за 2 ч до начала операции засыпки шихты в стекловаренный сосуд. Взвешивание сырьевых материалов производят согласно рецепту шихты (шихтной карточки) на платформенных весах Sartorius
GC803S-OCE. Взвешивают расчетное количество сырьевых материалов и высыпают в стеклянный мерный стакан в следующей последовательности: оксид кремния, гидроксид алюминия, оксид иттрия. Смешивание шихты проводят с помощью установки (рисунок 17).
Например, будем рассчитывать каждую порцию шихты на 150 г стекла и оформлять результаты расчета в виде шихтной карточки. Пример шихтной карточки представлен в таблице 9.
Компоненты шихты взвешивают на весах с точностью не хуже ± 0,001 г, высыпают в агатовую чашку и тщательно перемешивают шпателем в течение не менее 15 мин, с помощью алюминиевого совка засыпают в кварцевый контейнер, устанавливают его на валки смесителя сухой шихты. Размешивание шихты производят в течение 3-4 ч и с помощью ложки из нержавеющей выгружают шихту из кварцевого контейнера в платиновый тигель. Засыпку шихты производят до уровня примерно 5 мм ниже кромки платинового сосуда.
Классификация порошков YAS стекла для получения стеклянных микрошариков
Ситовой анализ является наиболее старым и простым способом определения зернового состава порошков. Он основан на нахождении количества материала, задерживаемого сеткой с отверстиями в свету определенного размера. Метод используют для анализа дисперсных материалов с относительно большим размером частиц (100 мкм - 40 мкм). Чем меньше размер частиц, тем сложнее проводить ситовой анализ.
Прецизионные микросита (отверстия 100мкм) с допуском ±1 мкм получают электрогальваническим способом. Международной системы сит не существует, однако соотношение ширины отверстия в свету к толщине проволоки во всех странах составляет примерно 3:2, что позволяет легко пересчитывать сита из одной системы в другую.
В немецкой системе сит номер сетки N соответствует числу отверстий на 1см. Учитывая, что отношение ширины отверстия в свету к толщине проволоки составляет примерно 3:2 или 6:4, можно найти размер отверстия в свету d (мм): d=6/N.
При ситовом анализе материала необходимо учитывать следующие факторы, которые могут исказить результаты.
1. Трение между частицами, возрастающее по мере уменьшения их размеров, препятствует прохождению порошков через сито. Поэтому для мелких частиц точность ситового анализа уменьшается. Использование вибрации, ультразвука, воды и ПАВ, уменьшающих трение, ускоряет анализ и повышает его точность.
2. Слипание частиц и образование агрегатов возрастает с уменьшением размера частиц и наличием влаги, адсорбированной из атмосферы. Поэтому сухие анализируемые порошки, особенно высокодисперсные, не должны содержать воды.
3. Несфериические частицы (игольчатые, пластинчатые и т.п.) могут проскальзывать по диагонали в квадратных сетках.
4. Проволоки в ситах способны раздвигаться, поэтому недопустимо надавливать на просеиваемый материал для ускорения анализа. 5. Слишком большая длительность рассева и чрезмерные навески проб при использовании вибрации приводят к самоизмельчению частиц и к повышенному износу сит. Если увеличение времени рассева на 1 мин не приводит к увеличению количества прошедшего материала более чем на ОД %, то рассев рекомендуют прекращать.
Для классификации порошков требуемой фракции был выбран ситовой анализатор AS 200 фирмы Retsch с тканевыми аналитическими ситами диаметром 100 или 200 мм и шириной отверстия от 100 до 10 мкм, технические характеристики перечислены в таблице 13. Данный ситовой анализатор предназначен для сухого и мокрого просеивания сыпучих, дисперсных продуктов с загрузочной крупностью до макс. 25мм.
Принцип действия анализатора следующий. Электромагнит с электронным управлением сообщает вибрационной плите до 3000 колебаний в минуту. На этой плите плотно укрепляются максимально 9 аналитических сит (высотой 50 мм каждое), приемный сосуд и головка (крышка). Можно проводить два рассева в одну операцию, причем устанавливается второй приемный сосуд на первую колонну сит. Электронное управление позволяет регулировать амплитуду колебаний всей колонны сит в пределах от 0 до 3 мм, при максимальной нагрузке приблизительно 3 кгс. С помощью вмонтированных часов автоматического хронометража регулируется продолжительность рассева в диапазоне от 3 до 60 минут. Переключателем можно выбрать три режима работы. Возможно применение мокрого рассева в воде, спиртах и т.д. Необходимость этого имеется особенно при рассеве проб с большим электростатическим зарядом или с очень высокой долей тонких фракций. Головка мокрого рассева снабжена тремя соплами, дающими полностью конусообразную струю. Они обрызгивают все внутреннее пространство и таким образом промывают обрабатываемый материал сквозь отверстия сита. Во избежание отложений или обратного подпора на ситах, расположенных ниже, необходимо установление одного или двух промежуточных колец-сит. Эти кольца имеют также по 3 разбрызгивающих сопла и одновременно обрызгивают сита, расположенные выше и ниже. Внизу
- приемный сосуд со сливом замыкает колонну сит. Перед рассевом:
- Рекомендуется очистить новые сита от возможных загрязнений при помощи этанола или изопропанола;
- Сита должны находиться в сухом и пылезащищенном месте. Во время рассева:
- Ни в коем случае нельзя проталкивать пробу через сетку сита. Даже легкое воздействие кисточкой может привести к изменению апертуры сита и к повреждению ситового полотна, особенно сетки с апертурой ниже 200 мкм. После рассева:
- Застрявшие в сетке частицы следует удалить, перевернув сито и слегка постучав им о ровную поверхность;
- Сита с сеткой ниже 500мкм обычно чистят только в ультразвуковой ванне;
- Мокрые сита могут быть высушены при 80 С макс, в сушильном шкафу.
- Никогда нельзя использовать вакуум или сжатый воздух. Порошкообразные материалы после помола в шаровых мельницах полидисперсны, т.е. состоят из отличающихся по размеру частиц. Зерновой (гранулометрический) состав полидисперсных порошков может быть выражен различными функциями, аргументом которых является размер частиц JC, а зависимыми переменными могут быть:
- выход по минусу Q - количество частиц с размером меньше данному,
- выход по плюсу q - количество частиц с размером большим или равным данному, масс. %
- JQ или Aq - содержание отдельных фракций с данным размером частиц, масс. %
- функция распределения
Слишком большая длительность рассева и чрезмерные навески проб при использовании вибрации приводят с самоизмельчению частиц и к повышенному износу сит.
Гранулометрический состав и фотография порошка стекла после помола в течение 6 ч приведены на рисунках 34, 35 и в таблице 14.
Очевидно, что сумма выходов по плюсу и минусу для любого значения х равно 100%. Средний размер частиц данной фракции хср находят как среднее арифметическое двух крайних значений х этой фракции. Значение функции распределения получают делением содержания частиц данной фракции AQ на величину интервала Ах. Графическое изображение распределения частиц по размерам включает построение интегральных кривых, гистограмм зернового состава и дифференциальной кривой распределения. Интегральные кривые строят по результатам ситового анализа (Таблица 14). При использовании гистограммного способа изображения зернового состава содержание частиц различных фракций показывают в виде прямоугольников, используя данные граф 4 и 6.
Остаток на поддоне после ситового анализа подвергли измерению гранулометрического состава (рисунок 36) с использованием лазерного гранулометра MASTERSIZER.
Разработка микрошариков с обедненным по редкоземельному элементу поверхностным слоем
Проведено исследование микроструктуры протравленных в НС1 стекол методами оптической и электронной сканирующей микроскопии. Заметное изменение структуры YAS стекла начинает происходить только после двух недель травления в НС1, в то время как, по данным фотоэлектронной рентгеновской спектроскопии весь иттрий уходит из поверхностного слоя уже после суток травления. Визуального изменения структуры стекла после недели травления в НС1 не наблюдалось. Микрофотография поверхности пластинки стекла после двух недель травления представлена на рисунке 86(a). Заметные изменения в структуре YAS стекла наблюдались после травления в течение месяца. Поверхность стекла представляла собой сеть мелких трещин размером от 1 мкм и меньше (рисунки 86(6), 87).
Для изучения возможности обеднения поверхностного слоя по редкоземельному элементу, проведены серии экспериментов по модифицированию поверхности микрошариков (обеднению поверхностного слоя по иттрию), в которых пластинки YAS стекла травили в НС1 в течение разного времени. Выдержка в кислоте пластинок стекла составила 1,3,5,7,9,14 и 30 дней соответственно. Образцы изучены с использованием рентгенофлуоресцентного анализа, конфокальной КР-спектроскопии и лазерного анализатора.
Рентгенофлуоресцентный анализ позволяет изучать поверхностный слой на глубину нескольких микрометров, как показано на рисунке 88, уже на девятый день травления в поверхностном слое практически не содержалось иттрия.
Результаты конфокальной КР-спектроскопии (проведены в универстите Милана Бикокко) свидетельствуют о том, что глубина модифицирования стекла после 30 дней травления в НС1 составляет 25 мкм (рисунок 89), и следовательно, этот параметр можно варьировать в широких пределах.
Образцы изучены с использованием лазерного анализатора, который позволяет оценить поверхность на глубину 100 мкм, поэтому лазерный анализ оказался эффективен лишь для образцов с максимальным временем травления в НС1. Для образца, обработанного в кислоте две недели, заметно лишь небольшое изменение содержания иттрия. Исследование образца, протравленного в кислоте в течение месяца, показало, что в поверхностном слое практически не содержится иттрия, о чем говорит практически полное отсутствие аналитических линий иттрия поз. YAS 2 на рисунке 90, что хорошо соотносится с результатами КР-спектроскопии.
Выдержке в кислоте в течение разного времени (от 10 минут до 3 суток) подвергали и YAS микрошарики. Образцы изучены с использованием рентгенофлуоресцентного анализа и фотоэлектронной рентгеновской спектроскопии.
Изображения иттрий алюмосиликатных микрошариков до и после их травления в соляной кислоте, полученные с электронного микроскопа, представлены на рисунке 91.
Сопоставление диаметров микрошарика до и после травления говорит о низменности их размеров, однако сопоставление интенсивности флуоресценции показывает уменьшение толщины слоя, содержащего иттрий (на рисунке 92 этот слой - глубиной 8 мкм).
После травления микрошарики были исследованы методом XPS, (Лехайский университет, США), глубина исследуемого слоя составляла в среднем 10 нм. Данные приведены в таблице 30, показано, что после суток травления микрошариков в НС1 их поверхностный слой практически не содержит иттрия.
Длительными обработками в физиологическом растворе при 37С и последующими испытаниями установлено, что стеклянные микрошарики с модифицированной поверхностью (обедненным поверхностным слоем по иттрию) вообще не выделяют в процессе травления в щелочной среде ионов Y , даже при толщине обедненного слоя менее 1 мкм, тогда как обычные YAS микрошарики - выделяют в раствор в результате выщелачивания в течение 14 дней 600 мкг/л иттрия.