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艾因斯

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[交流] 稀土元素钽酸盐及其固溶体的新型 X 射线造影剂：研究进展

引言
      在当前的医疗实践中，含碘 X 射线造影剂（XCA）的广泛使用背后，潜藏着不容忽视的安全隐患。数据显示，有 5 - 8% 的患者在使用水溶性 XCA 后会出现副作用，其中 0.1% 的患者更是会遭遇严重并发症，其致死率约处于 1:40000 至 1:10000 的区间（详见表 1）。肾脏并发症，如造影剂诱导的肾病（CIN），风险尤为突出。仅在美国，就有约 2000 万慢性肾病患者，而全球范围内，糖尿病患者数量更是超过 2.2 亿，这些人群均属于使用含碘造影剂的高危群体。
   含碘造影剂的毒性与它的水溶性紧密相关。当造影剂经黏膜吸收进入血液后，会通过肾脏排泄，而这一过程往往会引发毒性反应。传统的不溶性钡混悬液虽然不存在全身毒性问题，但也并非毫无风险，误吸可能导致炎症，若滞留体内还会引发梗阻等严重后果。鉴于此，开发安全且高效的新型造影剂，已然成为医学影像领域的重要研究方向。
   在众多潜在的材料中，稀土元素与钽的化合物因其独特的 X 射线吸收特性，逐渐成为研究热点。钽酸盐 MTaO₄（M 代表相关元素）拥有广泛的 K 吸收跃变范围（见表 2），这一特性使得通过调节成分来精准调控对比度成为可能，因此在胃肠道、胆道等中空器官的造影检查中具有极大的应用潜力。
材料与方法
合成方法
      我们通过固相反应来合成稀土钽酸盐及固溶体。选用纯度≥99.99% 的稀土元素钽作为原料，按照精确的化学计量比进行混合。随后，将混合原料置于高温环境下，在 1450 - 1500°C 的温度区间内退火 40 小时。在退火过程中，为了确保原料混合的均匀性，我们会对共混物进行中间破碎处理。对于固溶体粉末的制备，同样是按照特定比例混合相关材料，完成后通过 X 射线衍射（借助 DRON - 2.0 衍射仪）来确认固溶体是否成功形成。
表征与实验
1、体外对比：我们以天然多糖为基质，制备浓度范围在 0.25 - 30% 的凝胶悬浮液。将这些悬浮液与 30% 泛影葡胺以及标准钡混悬液（SBS）一同进行对比度测试。测试时，使用 Arman - 1 装置（设定参数为 63 kV，6 mAs）拍摄 X 射线片，而后通过 MD 100 显微密度计测量胶片的不透明度，以此来评估不同样品的对比度。此外，我们还利用 Syntec - 2000 I CT 扫描，对不同浓度制剂的断层成像效果展开评估（比如对 LaTaO₄、BaSO₄、Ta 的 X 射线衰减对比进行研究）。
2、体内实验
大鼠胃肠道研究：给大鼠灌胃 25% 稀土 TaO₄凝胶（剂量为 5 ml），在灌胃后的 0、1、3、6、12、24 小时这几个时间节点，分别拍摄 X 射线片，借此观察胃肠道的排空速率以及显影的清晰度。
犬胆道造影：通过胆囊穿刺的方式，向犬的胆囊内注入 20 - 30% 稀土 TaO₄混悬液（剂量为 5 - 8 ml）。在手术过程中进行实时成像，并获取组织样本，采用苏木精 - 伊红染色方法，对比稀土 TaO₄混悬液与泛影葡胺对黏膜产生的不同影响。
纳米颗粒实验：先由稀土 TaO₄微粉制备纳米颗粒（所制备的纳米颗粒粒径约为 20 nm），再配置成 5% 的混悬液，对大鼠进行皮下 / 肌内注射。在接下来的 8 天内，持续观察局部对比度的变化情况以及组织产生的反应。
结果与讨论
散装 X 射线剂的性能突破
1、物理化学特性：稀土 TaO₄（LOT）呈现为白色无定形粉末，其密度为 7.63 g/cm³，熔融温度高达 1930°C。值得一提的是，它在盐酸、硫酸钠等强电解质溶液中均不溶解，这种化学稳定性相较于含碘制剂有了显著提升。通过晶体结构分析可知，稀土 TaO₄属于单斜晶系（空间群为 P2/c），其中钽离子以扭曲八面体配位的形式存在，镧离子则通过层间作用相互连接，共同构建起稳定的骨架结构。
2、对比度与成像效果
体外数据：在 72 keV 的能量条件下，稀土 TaO₄的质量衰减因子达到 0.35 cm²/g，几乎是碘（0.18 cm²/g）的两倍之多。实验数据表明，20% 稀土 TaO₄凝胶所产生的 X 射线阴影强度，与 30% 泛影葡胺相当，并且高于 20% 钡混悬液。
体内验证：在大鼠胃内给药实验中，30% 稀土 TaO₄凝胶在 24 小时内能够完全排泄。在 X 射线片中，食管、胃、小肠的轮廓清晰可见，其对比度维持时间相较于钡混悬液更具优势。在犬胆道造影实验里，30% 稀土 TaO₄能够清晰显示直径≥7 mm 的结石，对于肝内胆管分支，其显影分辨率更是可达 0.5 mm。对比来看，使用泛影葡胺的实验组，黏膜出现大面积坏死；而使用稀土 TaO₄的实验组，仅观察到轻度淋巴细胞浸润。
固溶体的可调谐特性
1、成分 - 性能关系：随着 Gd 含量的增加，固溶体稀土 TaO₄的晶格参数呈现出线性收缩的趋势（相关数据见表 3），这一现象证实了均相体系的成功形成。当 x = 0.18 时，X 射线胶片的不透明度（S 值）达到 0.025，相较于纯 TaO₄提升了 15%。同时，颗粒尺寸对性能的影响也十分显著，当平均粒径从 2.6 μm 降至 0.5 μm 时，S 值增加了 30%，这清晰地表明纳米化能够有效增强散射效率。
2、电压响应特性：当 X 射线管电压从 40 kV 升高至 52 kV 时，稀土 TaO₄的不透明度下降了 20%。这一特性意味着我们可以通过调节成像参数来优化对比度，为多能谱 CT 成像提供了潜在的应用场景，使得在不同的成像需求下，能够通过调整电压等参数，获取更为清晰、准确的影像。
纳米制剂的局部应用潜力
1、纳米颗粒特性：所制备的稀土 TaO₄纳米颗粒近似呈准球形，粒径分布在 20 - 50 nm 之间。尽管存在一定的团聚现象，但在二甲基甘油硅基质中能够实现均匀分散。在大鼠皮下注射实验中，5% 纳米混悬液在 45 分钟内就形成了清晰的不透射线区域，并且在 8 天后，仍能够检测到颗粒沉积，同时未观察到红肿、纤维化等炎症反应。
2、安全性评估：急性毒性实验结果显示，小鼠腹腔注射的 LD₅₀＞5000 mg/kg，这表明该材料属于实际无毒级别。兔眼刺激实验中，角膜、结膜均未出现损伤。在 28 天的长期毒性实验里，未发现肝肾功能异常，组织切片显示注射部位仅有少量巨噬细胞浸润，充分证实了其优异的生物相容性。
结论
本研究成功开发的稀土钽酸盐及其固溶体凝胶造影剂，在安全性与成像性能方面展现出卓越的优势。与含碘制剂相比，其不溶于水的特性从根本上避免了全身毒性问题，并且对胆道黏膜无刺激作用。在对比度性能上，稀土 TaO₄的 X 射线吸收能力远超钡和碘，尤其在胆道造影中，能够实现肝管分支与微小病变的高分辨率显影，分辨率可达 0.5 mm。通过对固溶体成分的调控以及颗粒尺寸的优化，我们能够连续调节造影剂的比效力，从而适配不同器官以及成像技术的多样化需求。纳米制剂在局部造影，如皮下、肌内注射等应用场景中，表现出长期维持对比度的能力以及良好的生物相容性，进一步拓展了其应用范围。不过，未来的研究仍需重点关注制剂稳定性的提升以及临床前毒理学验证等方面，通过这些努力，推动该类新型造影剂从实验室走向临床应用，为肾功能不全、碘过敏等高危患者群体提供安全、有效的诊断新选择，助力医学影像诊断技术迈向新的高度。

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