Sposób wykonania tarczy molibdenowej do napromieniania w akceleratorze

Co można uzyskać dzięki wynalazkowi

W działającym w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) Ośrodku Radioizotopów POLATOM (OR POLATOM) opracowano własną metodę wytwarzania tarcz do akceleratorowej produkcji technetu-99m (Tc-99). Technet-99m jest izotopem promieniotwórczym stosowanym na świecie w milionach procedur diagnostycznych. Ta metoda diagnostyczna jest szeroko stosowana również w Polsce. Dzięki swoim właściwościom jądrowym Tc-99 jest idealnym znacznikiem promieniotwórczym umożliwiającym zarówno uwidocznienie i zlokalizowanie zmian chorobowych jak i monitorowanie odpowiedzi na zastosowane leczenie. Aktualnie medycyna nuklearna dysponuje całą gamą radiofarmaceutyków technetowych pozwalających m.in. na diagnostykę perfuzyjną układu krążenia, badanie funkcjonowania nerek, płuc, wątroby czy układu kostnego oraz ostatnio tzw. radiofarmaceutyków receptorowych – znakowanych radionuklidami peptydów i białek wykazujących powinowactwo do receptorów występujących na powierzchni komórek nowotworowych.
OR POLATOM w Świerku wytwarza i dostarcza do kilkunastu krajów urządzenia (tzw. generatory) do bezpośredniego otrzymywania tego radioizotopu w szpitalach. W generatorach źródłem Tc-99 jest inny izotop promieniotwórczy, molibden-99 (Mo-99), otrzymywany w reaktorach jądrowych. Istnieje również alternatywna metoda wytwarzania Tc-99, wykorzystująca do tego celu akceleratory cząstek naładowanych. Zainteresowanie takimi badaniami pojawiło się kilka lat temu w wyniku globalnego kryzysu w dostawach Mo-99.

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonania tarczy z molibdenu-100 (Mo-100) do napromieniania w akceleratorze, przeznaczonej do wytwarzania technetu-99m (Tc-99m), stosowanego do celów medycznych, zwłaszcza do diagnostyki nowotworów. Szacuje się, że z użyciem tego izotopu rocznie na świecie wykonuje się 80% z ponad 30 milionów badań diagnostycznych z zakresu medycyny nuklearnej. Diagnostyka medyczna z wykorzystaniem Tc-99m jest szeroko stosowana również w Polsce.
W celu otrzymania Tc-99m o jakości odpowiedniej do prowadzenia badań u pacjentów, tarcze molibdenowe przeznaczone do napromieniowania w akceleratorze powinny charakteryzować się wysokim stopniem wzbogacenia oraz wysoką czystością chemiczną, by w wyniku napromieniania nie dochodziło do powstawania niepożądanych izotopów, tworzących zanieczyszczenia produktu końcowego. Z punktu widzenia wytrzymałości na działanie intensywnej wiązki protonów, konieczne jest, aby tarcze akceleratorowe były odporne mechanicznie oraz charakteryzowały się wysokim przewodnictwem cieplnym. Jednocześnie materiały takie powinny być odpowiednio porowate, by umożliwić szybkie rozpuszczenie tarczy po procesie napromieniowania i oddzielenie powstałego Tc-99m, którego okres półtrwania wynosi zaledwie 6 godzin.
Pierwsze próby wykorzystania do omawianego celu tarczy ze wzbogaconego molibdenu w postaci tlenku MoO3, (cytowane WO 2012/139220 A1) zawiodły ze względu na małe przewodnictwo cieplne tego związku. Własność ta ograniczała możliwość stosowania wiązek wysokoprądowych, a co za tym idzie i wydajność procesu. Również próby wykonania tarczy z warstwowo ułożonych fragmentów folii molibdenowej (WO 2011/002323) nie dały pożądanego rezultatu. Tak ułożone warstwy folii charakteryzowały się niewystarczającym przewodnictwem cieplnym dla odprowadzania energii generowanej przez co najmniej 1kW wiązkę protonów do systemu chłodzenia tarczy w cyklotronie i zapobieganiu parowaniu lub topnieniu materiału tarczowego.
Rozwiązaniem tych problemów zaprezentowanym według wynalazku było zastosowanie jako materiału tarczowego Mo-100 w postaci metalicznej. Zadanie jakie stanęło przed zespołem było o tyle trudne do zrealizowania, że wymagało przekształcenia metalicznego Mo-100 w postaci proszku - jedynej formy w jakiej dostępny jest metaliczny Mo-100, do postaci warunkującej jego zastosowanie w cyklotronie. W celu zapewnienia projektowanym tarczom odpowiednich wytrzymałości na wysokie prądy wiązki protonów, metaliczny, sproszkowany Mo-100 prasowano do formy pastylki o grubości 0,78 ±0,01 cm i średnicy 12,04±0,01 mm, a następnie spiekano w atmosferze wodoru i schładzano w atmosferze azotu. Stosowanie atmosfery azotu w trakcie nagrzewania i studzenia pieca zapobiegało utlenianiu molibdenu do MoO3. W wyniku opisanego procesu otrzymano spiek Mo-100 o gęstości 9,95±0,06 g/cm3, osiągając 94 % wartości teoretycznej (gęstość metalicznego molibdenu wynosi 10,22 g/cm3). Przełożyło się to w naturalny sposób na uzyskanie materiału tarczowego charakteryzującego się wysoką odpornością mechaniczną oraz wysokim przewodnictwem cieplnym, zbliżonym do wartości właściwych dla molibdenu metalicznego. Otrzymaną tarczę wprasowywano w podkładkę wykonaną z czystego aluminium, stosując ciśnienie prasownia rzędu 800 MPa. Tak przygotowana tarcza była gotowa do umieszczenia w stanowisku do napromieniowania w cyklotronie.
Tarcze molibdenowe, otrzymane według zgłoszenia patentowego wykazują odporność podczas napromieniania wiązką protonów, a jednocześnie po aktywacji ulegają rozpuszczeniu w krótkim czasie, co umożliwia szybki ich przerób i odzysk Tc-99m.

Potencjał komercjalizacji

Zgłoszony do opatentowania „Sposób wykonania tarczy molibdenowej do napromieniania w akceleratorze” może być wykorzystywany tam, gdzie dostępne są typowe akceleratory działające na potrzeby badań diagnostycznych PET. W Polsce działa kilka takich cyklotronów, w świecie kilkaset. Przydatność tarcz Mo-100 wytworzonych zgodnie z opracowaną metodą została potwierdzona w trakcie napromienia protonami w cyklotronie GE-PETtrace w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Uzyskane wyniki upoważniają do stwierdzenia, że elementy technologii otrzymywania technetu-99m wynikające z wynalazku można zastosować do produkcji tego izotopu w skali komercyjnej (zakładając dysponowanie odpowiednim cyklotronem i laboratorium do przerobu napromieniowanej tarczy).