La stampa 3D e la produzione dell’isotopo radioattivo molibdeno-99 (Mo-99)

La stampa 3D trova sempre più impiego nella fabbricazione di tutti i tipi di prodotti per uso finale, ma può anche dare una mano ai ricercatori sulla strada per raggiungere un obiettivo finale. Un buon esempio di questo è un recente progetto che Oak Ridge National Laboratory ( ORNL ) nel Tennessee, gestito dal Department of Energy ( DOE ) e già responsabile di numerose innovazioni distampa 3D , ha aiutato fornendo sforzi di ricerca e sviluppo.

L’ultima volta che l’isotopo radioattivo molibdeno-99 (Mo-99), il genitore del decadimento di breve durata del tecnezio-99m (Tc-99m), è stato fabbricato negli Stati Uniti durante la fine degli anni ’80 … almeno fino ad ora. Il Tc-99m, meglio noto per l’imaging del flusso sanguigno nei test di stress nucleare cardiaco, è il radioisotopo più utilizzato nell’imaging diagnostico medico.

Quest’inverno, la FDA ha approvato il primo Mo-99 prodotto internamente senza l’utilizzo di uranio altamente arricchito (HEU). Per quasi dieci anni, la NNSA (National Nuclear Security Administration ) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha sostenuto gli sforzi per ottenere il Mo-99 senza utilizzare l’uranio arricchito.

“Volevamo aiutare a preparare la produzione commerciale di molibdeno-99 qui negli Stati Uniti a prezzi di recupero dei costi completi. Siamo stati entusiasti di assistere gli sforzi interni che non utilizzano uranio altamente arricchito “, ha affermato Chris Bryan, che conduce la ricerca Mo-99 all’ORNL.
Secondo l’NNSA, il Mo-99 è utilizzato in oltre 40.000 procedure mediche quotidiane negli Stati Uniti, ma è fornito al 100% da venditori stranieri, la maggior parte dei quali usa l’Uranio arricchito. Per ridurre questa dipendenza gli USA concedono finanziamenti per il supporto tecnico nazionale non proprietario in diversi laboratori del DOE, tra cui l’ Argonne National Laboratory , l’ORNL, il  laboratorio nazionale di Los Alamos e il Savannah River National Laboratory .

Il Tc-99m perde potenza in sole 6 ore, mentre il Mo-99 rimane attivo un po ‘più lungo circa 66 ore. Questo tipo di rapido decadimento è ottimo per i pazienti che non desiderano essere esposti alle radiazioni per troppo tempo, ma i produttori che non sono in grado di immagazzinare Tc-99m sono costretti a consegnarli prima che diventino troppo deboli per produrre immagini ad alto contrasto. In questo caso, i radiofarmaci usano un dispositivo che esegue una soluzione attraverso una resina che è stata caricata con Mo-99; poi, rilascia Tc-99m, che viene portato direttamente alle cliniche e agli ospedali.

I radioisotopi NorthStar Medical e SHINE Medical Technologies, con sede nel Wisconsin, hanno entrambi degli accordi di cooperazione con la NNSA per aumentare la produzione interna dell’isotopo ei ricercatori dell’ORNL hanno anche contribuito a diversi progetti di R & S volti a produrre Mo-99 senza HEU.

“NorthStar, insieme ad altri titolari di accordi di cooperazione, ha beneficiato enormemente dello sviluppo tecnologico supportato dalla NNSA presso i laboratori nazionali. Questo lavoro presso ORNL esemplifica il valore della collaborazione e renderà i nostri processi più efficienti nell’uso di materiale target arricchito di molibdeno “, ha dichiarato James T. Harvey, Vicepresidente senior e Chief Science Officer di NorthStar.
NorthStar sta producendo Mo-99 attraverso un processo di acquisizione di neutroni che utilizza materiale bersaglio stabile al molibdeno. È simile al progetto SHINE in quanto utilizza un acceleratore, ma differisce perché non è coinvolto l’uranio. Invece, un acceleratore di elettroni bombarda un bersaglio arricchito in Mo-100 per sei giorni, il che crea intensi raggi gamma che scaricano un neutrone dalla miscela, con conseguente Mo-99. Il gas elio scorre attraverso il sistema per rimuovere il calore, quindi il materiale utilizzato per rendere gli obiettivi deve essere abbastanza resistente da reggere sotto stress, ma comunque leggero in modo che possa dissolversi rapidamente, in modo che l’isotopo possa essere recuperato.

L’unico problema è che il Mo-100 arricchito non è economico. ORNL ha fatto l’obiettivo iniziale, un disco della dimensione di un mezzo dollaro che costa ancora qualche migliaio di dollari in materia prima. Inoltre, gli elettroni impattanti nell’acceleratore convertono meno del 10% del Mo-100, il che significa che NorthStar deve recuperare e riciclare il resto.

Rick Lowden di ORNL, un metallurgo il cui team sviluppa materiali mirati e tecnologie di fabbricazione, ha spiegato: “Ogni volta che maneggi quella polvere, frantuma, setaccia, spruzza, perdi materiale. L’obiettivo è perdere zero. ”
(LR) L’ORNL di Rick Lowden, Chris Bryan e Jim Kiggans. Kiggans è in possesso di un design obiettivo teorico 3D stampato in molibdeno naturale. [Immagine: Jason Richards, ORNL, US Department of Energy]
In primo luogo, i ricercatori di ORNL hanno mescolato la polvere di molibdeno con un polimero idrosolubile, utilizzando un metodo spray-dry per legare piccole particelle in agglomerati sferici più grandi. Dopo aver pressato e riscaldato la polvere essiccata a spruzzo, sono stati prodotti dischi duri e in rapida scioglimento con strette tolleranze dimensionali. Sfortunatamente, quando riscaldavano i dischi con un laser per simulare le condizioni all’interno dell’acceleratore di NorthStar, si deformavano e si torcevano a causa del riscaldamento irregolare del materiale.

Lavorando con lo scienziato dei materiali ORNL Jim Kiggans, Bryan e Lowden hanno deciso che potevano risolvere molti problemi con la stampa 3D del gruppo target di dischi nel loro supporto, incluso il fatto che i diametri e gli spessori del disco dovevano cambiare mentre il design delle parti dell’acceleratore .

Bryan ha spiegato: “Era un bersaglio mobile”.
ORNL ha collaborato con i progettisti di Los Alamos, responsabili del sistema di accelerazione e con l’obiettivo di stampare forme e gruppi rappresentativi di stampa in 3D di molibdeno naturale. Questi sono stati inviati ai chimici ad Argonne in modo che potessero dissolversi in un processo attualmente in fase di sviluppo per recuperare il Mo-100 non convertito. Il processo è sostenibile, in quanto il precipitato riciclato è stato restituito all’ORNL in modo che potesse essere trasformato in materiale di stampa 3D per il prossimo assemblaggio.

Lowden ha detto: “Ora abbiamo solo quattro passi invece di dozzine”.
Poiché il molibdeno ha un punto di fusione elevato di 2600 ° C, ORNL ha installato uno speciale laser da 400 watt nel suo sistema di fusione laser Renishaw ; Renishaw ha inoltre realizzato un inserto a volume ridotto che potrebbe contenere piccole quantità di Mo-100 per risparmiare sui costi. ORNL ha anche installato un sistema al plasma da 15.000 watt in grado di riciclare il materiale dalla fusione laser mediante agglomerati di molibdeno con essiccamento a spruzzo, che ha prodotto particelle sferiche dense come materiale di stampa 3D.

I ricercatori di ORNL si concentreranno ora sulla caratterizzazione del materiale per l’assemblaggio di destinazione.

“Non ci sono molti dati sul molibdeno denso al 90 percento stampato in 3D. Stiamo fondamentalmente facendo strada, specialmente per un’applicazione così unica “, ha affermato Lowden.

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