Neue leichte bleifreie Röntgenschürze aus Wolfram reduziert das Gewicht um fast 90 %

Röntgentechnologinnen und -technologen ziehen eine Bleischürze an, führen die Aufnahme durch und legen sie wieder ab – hunderte Male pro Woche. Eine leichte Röntgenschürze könnte ihre Rücken endlich spürbar entlasten.

Ein Team aus Ontario zeigt, dass Schutzwirkung und Gewicht nicht untrennbar zusammengehören. Ihr neu entwickeltes Material erreicht eine Abschirmung auf dem Niveau von Blei, bringt dabei aber nur knapp ein Zehntel der Masse auf die Waage – und kommt vollständig ohne Blei aus.

Das Gewichtsproblem

Schutzkleidung bewahrt Fachpersonen vor Röntgenstrahlen, die bei Bildgebungen vom Körper der Patientinnen und Patienten gestreut werden. Über Jahrzehnte galten Modelle mit Blei als Standard – und genau das macht sie schwer, häufig rund 6,8 Kilogramm (15 Pfund).

Eine Auswertung in diesem Bereich bringt diese tägliche Zusatzlast mit konkreten gesundheitlichen Folgen in Verbindung. Rücken- und Nackenschmerzen treten bei radiologischen Technologinnen und Technologen sowie bei interventionellen Radiologinnen und Radiologen besonders häufig auf – also bei jenen, die den ganzen Tag in dieser Ausrüstung arbeiten. Die Beschwerden entstehen schleichend und nehmen über Jahre hinweg zu.

Die Forschung stammt aus dem Labor von Dr. Tizazu Mekonnen, Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Waterloo. Sein Team entwickelte ein weiches, flexibles Material, das die Abschirmung von Blei erreicht, das Gewicht jedoch um nahezu 90 Prozent reduziert.

„Für Patientinnen und Patienten, die nur gelegentlich geröntgt werden, sind schwere Bleischürzen vielleicht in Ordnung, aber Technikerinnen und Techniker, die sie täglich tragen, entwickeln oft Rücken- und Nackenschmerzen. Einige von ihnen müssen deshalb frühzeitig in Pension gehen“, sagte Mekonnen.

Die versteckten Kosten von Blei

Nicht nur das Gewicht ist problematisch. Werden Bleischürzen über längere Zeit getragen und genutzt, können sie zudem feinen Staub abgeben, der unbemerkt eingeatmet oder verschluckt wird. Diese Belastung entwickelt sich langsam und bleibt leicht unerkannt.

Gelangen Bleipartikel in den Körper, können sie zahlreiche Organsysteme schädigen, darunter das Herz-Kreislauf-System und das Nervensystem. Gesundheitsbehörden halten fest, dass kein Expositionsniveau gegenüber Blei als sicher gilt.

Genau diese Toxizität wollte Mekonnen aus dem Design herausnehmen. Seine Arbeit macht deutlich: Für die Blockierung von Strahlung braucht es nicht zwingend ein so gefährliches Material wie Blei – entscheidend ist vielmehr eine ausreichend hohe Dichte, um die Strahlen zu stoppen.

Auf der Suche nach Alternativen

Ein Ersatz für Blei liess sich nicht auf Anhieb finden. Das Team probierte mehrere andere Schwermetalle aus und verwarf sie wieder, bevor die Wahl schliesslich auf Wolfram fiel.

Wolfram eignet sich, weil seine Atome derart dicht gepackt sind, dass Röntgenstrahlen selbst durch eine dünne Schicht kaum hindurchkommen. Die grössere Herausforderung war, daraus ein Material zu machen, das sich tatsächlich tragen lässt.

Darum mahlte das Team Wolfram zu mikroskopisch kleinen Partikeln und arbeitete diese in einen weichen, silikonbasierten Kunststoff ein. So entstanden dünne, flexible Folien: Aus einem starren Metall wurde ein biegsamer Schutz.

Form und Flexibilität

Wird Kunststoff einfach mit viel Metall „gefüllt“, wird das Ergebnis typischerweise steif – und eine steife Schürze verfehlt den eigentlichen Zweck. Die Lösung für dieses Dilemma ist der zentrale Beitrag der Studie.

Anstatt die Partikel gleichmässig zu verteilen, konstruierte das Team abgestufte Schichten, deren Konzentration sich jeweils leicht unterscheidet. Dieser Konzentrationsgradient hält die Strahlung zurück und erhält gleichzeitig die weiche, gut bieg- und faltbare Struktur.

Auch die Partikelform erwies sich als entscheidend. Nach Tests mit verschiedenen Varianten stellte das Team fest, dass stabförmige Partikel Röntgenstrahlen wirksamer blockieren als die Alternativen. So präzise sei dieser Effekt zuvor nicht belegt worden.

In Kombination sorgen die stabförmigen Partikel, die geschichteten Gradienten und die Silikonbasis dafür, dass ein Schutz in voller Stärke nur einen Bruchteil einer Bleischürze wiegt – und dennoch wie gewohnt am Körper fällt, drapiert und sich bewegen lässt.

Leichte Röntgenschürze

Laborwerte sind das eine, eine einsatzfähige Schürze das andere. Für Tests und Computermodelle arbeitete das Team am Grand River Hospital in Kitchener (Ontario) mit dem Medizinphysiker Dr. Ernest Osei zusammen.

Das wichtigste Resultat betrifft das Gewicht: gegenüber einer klassischen Bleischürze ist die Lösung nahezu 90 % leichter, ohne bei der Schutzwirkung Abstriche zu machen. Eine so dünne und gleichzeitig so leichte Abschirmung sei in dieser Leistungsfähigkeit bislang nicht demonstriert worden.

Bleifreie Schürzen sind an sich nichts völlig Neues. Andere Gruppen haben bereits leichtere Varianten entwickelt, und eine neuere Publikation verglich unterschiedliche Metallmischungen.

Der Unterschied hier liegt darin, wie stark das Gewicht sinkt, ohne dass der Schutz darunter leidet.

Mehr als nur die Schürze

Schürzen waren der Ausgangspunkt – nicht das Endziel. Aklilu G. Messele, der Ph.D.-Student der University of Waterloo und Mitautor der Arbeit, prüft inzwischen, ob sich derselbe Ansatz auch für andere Strahlungsarten eignet.

Eine Entwicklungsrichtung zielt auf Gammastrahlung in der Kernenergie, wo Abschirmungen dauerhaft benötigt werden und entsprechend massiv ausfallen. Ein anderer Fokus liegt näher am Alltag: bei Strahlung von Mobiltelefonen und Wi‑Fi.

„Wir tragen jeden Tag Mobiltelefone bei uns. Die Auswirkungen auf unseren Körper sind unbekannt. Was, wenn wir eine Hülle entwickeln können, die vor der von unseren Telefonen abgegebenen Strahlung schützt?“, sagte Mekonnen, der einen Canada Research Chair in nachhaltigen Polymeren innehat.

Was sich jetzt ändert

Die Arbeit liefert ein klares Ergebnis. Ein Silikon-Verbundmaterial mit stabförmigen Wolframpartikeln, schichtweise in Konzentrationsgradienten aufgebaut, kann den Röntgenschutz von Blei mit knapp einem Zehntel des Gewichts erreichen.

Für Menschen, die im Lauf ihrer Karriere tagtäglich diese Last tragen, ist das ein greifbarer Unterschied. Eine breiter angelegte Übersicht verknüpft schwere Schürzen mit chronischen Schmerzen und verkürzten Laufbahnen; ein leichterer Schutz könnte qualifizierte Fachpersonen länger im Beruf halten.

Zudem verschwindet damit giftiges Blei aus Ausrüstung, die den ganzen Tag körpernah getragen wird. Derselbe Ingenieuransatz könnte weit über den Röntgenraum hinausreichen.

Das Team untersucht bereits Abschirmungen gegen Gammastrahlung sowie Schutzlösungen für Alltags-Elektronik.