Druk 3D może pomóc w wytwarzaniu cennego promieniowania

Bez trafnej diagnozy trudno mówić o skutecznym leczeniu pacjentów, zwłaszcza w przypadku choroby nowotworowej. Obecnie aż 80% procedur diagnostycznych z wykorzystaniem radiofarmaceutyków wymaga użycia molibdenu-99. W przyszłości wydajność produkcji tego cennego radioizotopu można zwiększyć m.in. dzięki tarczom uranowym przygotowanym metodą druku przestrzennego. Europejski patent na takie rozwiązanie dotarł właśnie do naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Schwerk w Polsce.

Światowe zapotrzebowanie na molibden-99 jest ogromne. Jest to izotop promieniotwórczy, który zwykle jest wytwarzany w badawczych reaktorach jądrowych, czyli w maszynach o ograniczonych możliwościach produkcyjnych. Dlatego bardzo ważne jest ciągłe doskonalenie ich metod produkcji” – mówi współtwórca patentu prof. Centrum Doskonałości NOMATEN MAB dla NCBJ.

Nowoczesne techniki obrazowania budowy i funkcji organizmu człowieka w dużym stopniu uzależnione są od radiofarmaceutyków, czyli substancji aktywnych zawierających odpowiednio dobrane radioizotopy. Po wprowadzeniu radiofarmaceutyków do organizmu pacjenta można monitorować prędkości przepływu lub miejsca gromadzenia się, rejestrując fotony emitowane przez rozpadające się jądra radioizotopów.

Metastabilny technet-99m jest jednym z najważniejszych radioizotopów w medycynie. Emitowane przez nie fotony nie powodują uszkodzeń tkanek i są rejestrowane przez detektory sprzętu diagnostycznego bez większych trudności. Ponadto okres półtrwania tego radioaktywnego izotopu wynosi zaledwie sześć godzin, co oznacza, że ​​znika on z organizmu pacjenta wkrótce po badaniu.

Krótki okres półtrwania metastatycznego technetu-99M jest zaletą z punktu widzenia podmiotu. Stanowi wyzwanie dla diagnostów, ponieważ drastycznie ogranicza czas, jaki może upłynąć między wytworzeniem radioizotopu a procedurą diagnostyczną. Rozwiązanie problemu jest znane od lat: to nie technet trafia do szpitali, tylko molibden-99, który się w nich rozpada. Okres półtrwania molibdenu 99 wynosi 67 godzin. Jest to czas, który zapewnia spokojny transfer radioizotopów z miejsca ich wytworzenia do szpitala.

„Molibden-99 najczęściej uzyskuje się przez napromieniowanie małych celów zawierających uran-235 wzbogacony o niską liczbę neutronów” – mówi magister. M. Maciej Lipka, jeden ze współautorów patentu. „Neutrony reaktora mają ograniczoną zdolność penetracji materiału tarczy. Aby zapewnić konwersję jak największej liczby jąder uranu-235 w molibden-99, tarcze są zwykle przygotowywane w postaci cienkich warstw dyspersji uranu, tlenku lub krzemku w aluminium” Proces produkcji płytek nie pozostawia miejsca na doskonalenie. Dlatego zaproponowaliśmy inną metodę przygotowania tarcz uranowych: druk przestrzenny metodą spiekania proszków laserowych.”

Spiekanie laserowe PM to rodzaj druku 3D, który polega na wykorzystaniu lasera o odpowiedniej mocy do selektywnego stopienia cienkiej warstwy proszku, który wcześniej był równomiernie rozłożony w boku pojemnika na platformie roboczej. Po utrwaleniu pierwszej warstwy platforma jest lekko wciskana, nakładana jest kolejna warstwa pudru i całą kurację można powtarzać dowolną ilość razy.

Techniki drukowania 3D są od dawna znane, ale jeszcze nie stosowane do produkcji tarcz uranowych do promieniowania neutronowego w reaktorach. Uważamy jednak, że ta metoda wytwarzania tarcz może mieć szereg zalet” – mówi profesor Sobkovic.

Na tarczy wystawionej na działanie neutronów zachodzą reakcje jądrowe, których produktem ubocznym jest ciepło. Wykorzystanie druku 3D pozwala na udoskonalenie kształtu celów, dzięki czemu ciepło jest efektywniej odprowadzane do otoczenia. W ten sposób same cele nagrzewałyby się mniej, a to zwiększyłoby w nich zawartość uranu-235. W rezultacie podczas jednej ekspozycji można wytworzyć więcej molibdenu-99.

„Podczas wystrzelenia neutronów w tarczę uranową powstaje nie tylko molibden-99, ale także wiele innych izotopów. Po wyjęciu z reaktora każda tarcza musi więc zostać poddana odpowiedniej obróbce chemicznej, która izoluje molibden. Tymczasem z za pomocą druku przestrzennego można przygotować np. smoły perforowane o bardzo dużej powierzchni czynnej i skuteczniej oddziaływać z chemicznymi otworami zolowymi – mówi inż. Lipka.

Być może najbardziej obiecujący aspekt patentu dotyczy możliwości zwiększenia wydajności przetwarzania samego uranu-235. W każdym celu radioaktywnym niektóre jądra tego izotopu nie ulegają przemianom jądrowym. Tak więc kształty wydrukowanych celów można zaprojektować tak, aby zwiększyć ilość odzyskiwanego uranu. Po wydobyciu można go użyć do zbudowania większej liczby celów.

Obecnie ponad 10% światowego zapotrzebowania na molibden-99 pokrywa polski badawczy reaktor jądrowy Maria, zlokalizowany w Swerk pod Warszawą. NCBJ prowadzi również Centrum Radioizotopów POLATOM, które jest producentem generatorów technetu i kilku radiofarmaceutyków. Produkty firmy POLATOM eksportowane są do ponad 70 krajów.

Dodatkowe informacje

Centrum Doskonałości NOMATENPowstała w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Polsce jako nowa organizacja badawcza, w której światowej klasy zespoły badawcze projektują, rozwijają i oceniają innowacyjne materiały wielofunkcyjne – łączące zaawansowane właściwości strukturalne i funkcjonalne – do zastosowań przemysłowych i medycznych. NOMATEN rozwija partnerstwa z instytucjami przemysłowymi i badawczymi w celu wykonywania i wdrażania rozwiązań go-to-market w dziedzinie innowacyjnych materiałów i radiofarmaceutyków.

Reaktor badawczy MariaJest to obecnie jedyny w Polsce działający badawczy reaktor jądrowy. Ma moc 30 megawatów. Obecne główne zastosowania reaktorów to: produkcja radioizotopów, testowanie paliw i materiałów konstrukcyjnych dla energetyki jądrowej, konwersja domieszkowana neutronami na krzem, modyfikacja neutronów, badania fizyki neutronów i materii skondensowanej, radiografia neutronów, analiza aktywacji neutronów, wiązki neutronów w medycynie i szkoleniu w fizyce i technologii reaktorów.

Narodowe Centrum Badań JądrowychTo jeden z największych instytutów badawczych w Polsce, zatrudniający ponad 1100 pracowników. Siedziba instytutu znajduje się w Otwocku na Świerku, gdzie znajduje się ośrodek jądrowy NCBJ, w tym reaktor badawczy MARIA. Instytut prowadzi prace badawczo-rozwojowe i wdrożeniowe w obszarach związanych z szeroko pojętą fizyką subatomową, fizyką promieniowania, fizyką, technologiami jądrowymi, fizyką plazmy i materiałów, akceleratorami i detektorami cząstek oraz zastosowaniem tych urządzeń w medycynie i ekonomii oraz badaniach i produkcji radiofarmaceutyków. O pozycji naukowej instytutu decyduje również liczba publikacji (ponad 500 rocznie) oraz liczba cytowań mierzona indeksem Hirscha (ponad 180).

Informacje patentowe:

EP3985686 — Sposób przygotowania tarczy uranowej do produkcji molibdenu, proces produkcji molibdenu i tarcza uranowa do produkcji molibdenu
Autorzy: Paweł Sobkowicz, Maciej Lipka, Rafał Prokopowicz, Anna Talarowska
https://register.epo.org/application?number=EP20461568&tab=main

Powiązane strony:
Numer: http://nomaten.ncbj.gov.pl/
Maria: https://www.ncbj.gov.pl/en/o-nas/maria-reaktor-badawczy
Paulatum: https://www.polatom.pl/en/