Radioizotopy o zasadniczym znaczeniu dla współczesnej diagnostyki, takie jak molibden-99, są wytwarzane w zaledwie kilku badawczych reaktorach jądrowych na świecie. W procesie produkcji molibdenu kluczową rolę odgrywają płaskie, cienkie tarcze uranowe. Europejski patent, właśnie przyznany naukowcom z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku, może tę produkcję zoptymalizować dzięki tarczom wykonanym z użyciem druku przestrzennego. 

Bez dokładnej diagnostyki trudno mówić o efektywnym leczeniu pacjentów, zwłaszcza w przypadku chorób nowotworowych. Dziś aż 80% zabiegów diagnostycznych z użyciem radiofarmaceutyków wymaga stosowania molibdenu-99. W przyszłości wydajność produkcji tego cennego radioizotopu będzie można zwiększyć m.in. dzięki tarczom uranowym przygotowywanym za pomocą druku przestrzennego. Europejski patent na takie rozwiązanie właśnie trafił do rąk naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku.

„Światowe zapotrzebowanie na molibden-99 jest ogromne. Jest to radioizotop wytwarzany zazwyczaj w badawczych reaktorach jądrowych, czyli w urządzeniach o ograniczonych możliwościach produkcyjnych. Właśnie dlatego tak ważne jest ciągłe doskonalenie metod jego produkcji”, mówi współtwórca patentu prof. dr hab. Paweł Sobkowicz (NCBJ) i podkreśla, że starania o patent zostały wsparte finansowo przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, a sam projekt zrealizowano przez należące do NCBJ Centrum Doskonałości NOMATEN MAB.

Współczesne techniki obrazowania budowy i funkcji ludzkiego ciała w istotnej części zależą od radiofarmaceutyków, czyli substancji czynnych zawierających odpowiednio dobrane izotopy promieniotwórcze. Gdy radiofarmaceutyk zostanie wprowadzony do organizmu pacjenta, jego przepływy lub miejsca kumulacji można monitorować rejestrując fotony emitowane przez jądra rozpadającego się radioizotopu.

Do najważniejszych radioizotopów w medycynie należy metastabilny technet-99m. Emitowane przez niego fotony nie wyrządzają szkód tkankom i są bez większych trudności rejestrowane przez detektory aparatury diagnostycznej. Ponadto okres połowicznego rozpadu tego radioizotopu wynosi zaledwie sześć godzin, co oznacza, że wkrótce po badaniu znika on z organizmu pacjenta.

Krótki okres połowicznego rozpadu metastabilnego technetu-99m to zaleta z punktu widzenia osoby badanej. Dla diagnostów to wyzwanie, ponieważ narzuca radykalne ograniczenie na czas, jaki może upłynąć między wyprodukowaniem radioizotopu a zabiegiem diagnostycznym. Rozwiązanie problemu jest znane od lat: do szpitali trafia nie technet, lecz rozpadający się do niego molibden-99. Okres połowicznego rozpadu molibdenu-99 to 67 godzin. Jest to czas zapewniający możliwość spokojnego transportu radioizotopu z miejsca produkcji do szpitala.

„Molibden-99 najczęściej powstaje przez napromienianie neutronami niewielkich tarcz zawierających nisko wzbogacony uran-235”, mówi mgr inż. Maciej Lipka, jeden ze współautorów patentu. „Neutrony z reaktora mają ograniczoną zdolność przenikania do wnętrza materiału tarczy. Aby zagwarantować, że jak najwięcej jąder uranu-235 przekształci się w molibden-99, tarcze zazwyczaj przygotowuje się w postaci cienkich płytek z dyspersji uranu lub jego tlenku albo krzemku w aluminium. Proces produkcji płytek nie pozostawia wiele miejsca na optymalizację. Dlatego zaproponowaliśmy inny sposób przygotowywania tarcz uranowych: druk przestrzenny metodą laserowego spiekania proszków”.

Laserowe spiekanie proszków metalowych to rodzaj druku przestrzennego polegający na użyciu lasera o odpowiedniej mocy do selektywnego topienia cienkiej warstwy proszku, wcześniej równomiernie rozprowadzonej wewnątrz pojemnika na platformie roboczej. Po utrwaleniu pierwszej warstwy, platforma nieznacznie się obniża, nanoszona jest kolejna warstwa proszku i cały cykl można powtórzyć wymaganą liczbę razy.

„Techniki druku przestrzennego są znane od dawna, mimo to do tej pory nie używano ich do wytwarzania tarcz uranowych do napromieniania neutronami w reaktorach. Sądzimy jednak, że taki sposób produkcji tarcz może mieć sporo zalet”, stwierdza prof. Sobkowicz.

W tarczy wystawionej na działanie neutronów zachodzą reakcje jądrowe, których ubocznym produktem jest ciepło. Użycie druku trójwymiarowego pozwala zoptymalizować kształt tarcz tak, by ciepło efektywniej rozpraszało się do otoczenia. Same tarcze nagrzewałyby się więc słabiej, a to pozwoliłoby zwiększyć w nich zawartość uranu-235. W rezultacie podczas jednego naświetlania można byłoby wyprodukować więcej molibdenu-99.

„Podczas ostrzeliwania neutronami, w tarczy uranowej powstaje nie tylko molibden-99, ale też wiele innych izotopów. Po wyjęciu z reaktora każdą tarczę trzeba więc poddać stosownej obróbce chemicznej, która służy wyodrębnieniu molibdenu. Tymczasem za pomocą druku przestrzennego można przygotować np. tarcze ażurowe, o bardzo dużej powierzchni czynnej, skuteczniej oddziałujące z rozpuszczalnikami chemicznymi”, mówi mgr inż. Lipka.

Prawdopodobnie najbardziej obiecujący aspekt patentu wiąże się z możliwością zwiększenia wydajności przetwarzania samego uranu-235. W każdej tarczy poddanej napromienieniu część jąder tego izotopu nie ulega przemianom jądrowym. Kształty tarcz drukowanych można więc zaprojektować z myślą o zwiększeniu ilości odzyskiwanego uranu. Po wyodrębnieniu, mógłby on być użyty do budowy kolejnych tarcz.

Obecnie ponad 10% światowego zapotrzebowania na molibden-99 jest pokrywane dzięki polskiemu badawczemu reaktorowi jądrowemu Maria, ulokowanemu w Świerku pod Warszawą. W NCBJ znajduje się także Ośrodek Radioizotopów POLATOM, producent generatorów technetowych, które są eksportowane do ponad 70 państw.

Pełne dane patentu:

EP3985686 - METHOD OF PREPARATION OF THE URANIUM TARGET FOR THE PRODUCTION OF MOLYBDENUM, MOLYBDENUM PRODUCTION PROCESS AND THE URANIUM TARGET FOR THE PRODUCTION OF MOLYBDENUM
Autorzy: Paweł Sobkowicz, Maciej Lipka, Rafał Prokopowicz, Anna Talarowska
https://register.epo.org/application?number=EP20461568&tab=main

Powiązane strony:

NOMATEN: http://nomaten.ncbj.gov.pl/
MARIA: https://www.ncbj.gov.pl/o-nas/maria-research-reactor
POLATOM: https://www.polatom.pl/

Zdjęcie:

Zasobnik do napromieniowywania materiałów umieszczany w rdzeniu reaktora MARIA (Foto: NCBJ)