3D-Druck kann helfen, wertvolle Radiopharmaka herzustellen

Ohne eine genaue Diagnostik ist es schwierig, über eine effektive Behandlung von Patienten zu sprechen, insbesondere im Fall von Krebs. Heutzutage erfordern bis zu 80 % der diagnostischen Verfahren, bei denen Radiopharmaka verwendet werden, die Verwendung von Molybdän-99. In Zukunft kann die Produktionseffizienz dieses wertvollen Radioisotops mit Hilfe von Uran-Targets, die durch Spatial Printing hergestellt wurden, gesteigert werden.

Das europäische Patent für eine solche Lösung ist gerade in die Hände von Wissenschaftlern des Nationalen Zentrums für Kernforschung (NCBJ) im polnischen Świerk gelangt.

„Die weltweite Nachfrage nach Molybdän-99 ist enorm. Es ist ein Radioisotop, das normalerweise in Forschungskernreaktoren hergestellt wird, also in Geräten mit begrenzter Produktionskapazität. Deshalb ist es so wichtig, die Verfahren zu seiner Herstellung ständig zu verbessern.“ sagt Miterfinder des Patents Prof. Paweł Sobkowicz (NCBJ).

Moderne Techniken zur Abbildung der Struktur und Funktionen des menschlichen Körpers hängen weitgehend von Radiopharmazeutika ab, bei denen es sich um Wirkstoffe handelt, die geeignet ausgewählte radioaktive Isotope enthalten. Sobald das Radiopharmakon in den Körper des Patienten eingeführt ist, können seine Flussraten (oder Ansammlungsorte) überwacht werden, indem die Photonen aufgezeichnet werden, die von den Kernen des zerfallenden Radioisotops emittiert werden.

Metastabiles Technetium-99m ist eines der wichtigsten Radioisotope in der Medizin. Die von ihm ausgesandten Photonen schädigen das Gewebe nicht und werden von den Detektoren diagnostischer Geräte problemlos registriert. Außerdem beträgt die Halbwertszeit dieses Radioisotops nur sechs Stunden, was bedeutet, dass es bald nach dem Test aus dem Körper des Patienten verschwindet.

Die kurze Halbwertszeit von metastabilem Technetium-99m ist aus Sicht des Probanden von Vorteil. Es ist eine Herausforderung für Diagnostiker, da es die Zeit, die zwischen der Herstellung des Radioisotops und dem diagnostischen Verfahren vergehen kann, radikal einschränkt. Die Lösung des Problems ist seit Jahren bekannt: Nicht Technetium landet in Krankenhäusern, sondern Molybdän-99, das darin zerfällt.

Die Halbwertszeit von Molybdän-99 beträgt 67 Stunden. Dies ist die Zeit, die die Möglichkeit eines sicheren Transports des Radioisotops vom Produktionsort zum Krankenhaus gewährleistet.

„Molybdän-99 wird am häufigsten hergestellt, indem kleine Targets, die schwach angereichertes Uran-235 enthalten, mit Neutronen bestrahlt werden“, sagt Maciej Lipka, einer der Co-Autoren des Patents.

„Reaktorneutronen haben eine begrenzte Fähigkeit, das Targetmaterial zu durchdringen. Um sicherzustellen, dass möglichst viele Uran-235-Kerne in Molybdän-99 umgewandelt werden, werden die Targets typischerweise als dünne Platten aus einer Dispersion von Uran oder seinem Oxid oder Silizid hergestellt Aluminium. Der Fliesenherstellungsprozess lässt nicht viel Spielraum für Optimierungen. Daher haben wir einen anderen Weg zur Herstellung von Uran-Targets vorgeschlagen: Spatial Printing durch Laser-Pulver-Sintern.“

Das Lasersintern von Metallpulvern ist eine Art des 3D-Drucks, der auf der Verwendung eines Lasers mit geeigneter Leistung basiert, um eine dünne Pulverschicht selektiv zu schmelzen, die zuvor gleichmäßig im Behälter auf der Arbeitsplattform verteilt wurde. Nachdem die erste Schicht fixiert ist, wird die Plattform leicht abgesenkt, die nächste Pulverschicht aufgetragen und der gesamte Zyklus kann beliebig oft wiederholt werden.

„3D-Drucktechniken sind schon lange bekannt, wurden aber bisher nicht zur Herstellung von Uran-Targets für die Neutronenbestrahlung in Reaktoren eingesetzt. Wir glauben jedoch, dass diese Art der Herstellung von Targets eine Reihe von Vorteilen haben kann“, sagt Prof Sobkowicz.

In einem Target, das Neutronen ausgesetzt ist, finden Kernreaktionen statt, deren Nebenprodukt Wärme ist. Durch den Einsatz von 3D-Druck kann die Form der Targets optimiert werden, sodass die Wärme effektiver an die Umgebung abgegeben wird. Die Targets selbst würden sich also weniger erwärmen, was den Uran-235-Gehalt in ihnen erhöhen würde. Dadurch konnte pro Belichtung mehr Molybdän-99 produziert werden.

„Beim Abfeuern von Neutronen in einem Uran-Target entsteht nicht nur Molybdän-99, sondern auch viele andere Isotope. Jedes Target muss daher nach der Entnahme aus dem Reaktor einer entsprechenden chemischen Behandlung unterzogen werden, die der Isolierung des Molybdäns dient Mithilfe des räumlichen Druckens lassen sich zum Beispiel durchbrochene Targets mit einer sehr großen aktiven Oberfläche präparieren, die besser mit chemischen Lösungsmitteln interagieren“, sagt Lipka.

Der möglicherweise vielversprechendste Aspekt des Patents bezieht sich auf das Potenzial, die Verarbeitungseffizienz von Uran-235 selbst zu steigern. In jedem bestrahlten Target unterliegen einige der Kerne dieses Isotops keiner Kernumwandlung. Die Formen der gedruckten Targets können daher so gestaltet werden, dass die Menge an zurückgewonnenem Uran erhöht wird. Einmal extrahiert, könnte es verwendet werden, um weitere Ziele zu bauen.

Derzeit werden mehr als 10 % des weltweiten Bedarfs an Molybdän-99 durch den polnischen Forschungskernreaktor Maria in Świerk bei Warschau gedeckt. NCBJ betreibt auch das POLATOM Radioisotope Center, einen Hersteller von Technetium-Generatoren und vielen Radiopharmazeutika. POLATOM-Produkte werden in über 70 Länder exportiert.