Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Целью нашего проекта является создание радиационно-безопасного двухконтурного генератора для получения высокочистого трихлорида иттрия-90 без носителя, который используется для паллиативного лечения метастазов в костях и при синтезе РФП для радиотерапии широкого круга онкологических заболеваний. Научная идея проекта связана с использованием карбонатных сред для отделения медицинского иттрия-90 от материнского стронция-90. Карбонатные среды, в отличие от традиционно применяемых кислых, позволяют создать генератор, в котором стронций-90 надежно зафиксирован в твердой матрице, что существенно повышает радиационную безопасность процесса. Анализ научной литературы и патентный поиск показал, что все известные генераторы иттрия-90 работают по двум вариантам: извлечение иттрия-90 из водного раствора стронция-90 или десорбция иттрия-90 раствором комплексона с катионита, содержащего материнский изотоп. В первом варианте используются экстракционные, сорбционные и электрохимические способы выделения иттрия-90 из раствора с последующей его доочисткой от стронция-90. Второй вариант требует удаления из иттрия-90 комплексона, т.к. он препятствует взаимодействию иттрия с био-молекулой – носителем радионуклида. Оба варианта далеки от идеала, и не позволяют создать простой, компактный и надежный генератор. При радиотерапии онкологических заболеваний пациенту вводятся большие активности иттрия-90: 0,1 – 10 ГБк (0,003 – 0,4 Ки), для наработки которых требуется генератор, содержащий не менее 1 Ки стронция-90. Матрица, удерживающая такое количество стронция-90, будет работать при огромных радиационных нагрузках - поглощенная доза, по нашим расчетам, составит 20 МГр в год, что потребует использования радиационно-стойких материалов. Для защиты от тормозного γ-излучения иттрия-90 потребуется биологическая защита со свинцовым эквивалентом 8,6 см. Выход радиолитического водорода, по расчетам, менее 6 мл. Крайне низким будет и тепловыделение стронция-90 – менее 0,01 Вт. Для удержания материнского стронция-90 мы планируем использовать карбонатные матрицы, и в первый год работ по проекту нами было изучено поведение стабильного и радиоактивного иттрия при выщелачивании из карбонатных осадков, при сорбции и при мембранной экстракции из карбонатных сред. Иттрий умеренно растворим в карбонатах калия и натрия. При 30 оС растворимость находится в интервале от 0,3 г/л иттрия в 0,5 моль/л Na2CO3 до 4,3 г/л в 2 моль/л K2CO3, что многократно превышает возможную концентрацию иттрия-90 в генераторе (меньше 1 мг/л). Скорость растворения карбоната иттрия достаточно высокая: в 2 моль/л карбонате натрия – 0,19 г/(м2*с), а калия – 0,24 г/(м2*с), что сопоставимо со скоростью растворения оксида иттрия – 0,43 и 0,46 г/(м2*с), соответственно. Эксперименты по выщелачиванию иттрия из карбонатных матриц выявили влияние способа приготовления осадков и различия в поведение стабильного и радиоактивного иттрия. Было исследовано выщелачивание иттрия из двух типов смесей карбонатов стронция и иттрия (массовые соотношения карбонатов 10:1): полученных механическим смешиванием карбонатов или совместным осаждением из раствора. Из механической смеси извлечение иттрия было выше, чем из смеси, полученной осаждением: 62% и 35%, соответственно. Аналогичные эксперименты были проведены с карбонатом стронция с меткой стронция-90. Выщелачивание иттрия-90 в 2 моль/л карбонат натрия было еще меньше - 13%. Можно предположить, что степень выщелачивания иттрия определяется доступностью кристаллов карбоната иттрия для выщелачивающих растворов. Из смешанных карбонатов стронция-кальция иттрий-90 выщелачивается полностью, если содержание стронция в смешанном карбонате не превышает 20%. Неожиданно большим оказалось выщелачивание стронция-90 из осадка - до 3%. Исходя из растворимости карбоната стронция (ПР<10-10) мы ожидали хорошей очистки иттрия-90 от стронция-90 на операции карбонатного выщелачивания. Возможно, имеет место коллоидный унос карбоната стронция-90 из осадка. В следующем году будут проведены детальные исследования процесса выщелачивания иттрия-90 и поиск матриц, обеспечивающих полноту извлечения и высокую степень очистки иттрия-90 от стронция-90 на операции карбонатного выщелачивания. В литературе отсутствуют данные по сорбции иттрия из карбонатных сред и нами была проверена возможность извлечения иттрия 14-ю коммерческими ионообменными смолами и сорбентами. Не сорбируют иттрий (Kd меньше 3) из раствора 1 моль/л карбоната натрия катиониты с сульфатными, фосфатными и карбоксильными группами и сильноосновный анионит. Слабые сорбционные свойства показали Amberlite IRC 748 – иминодиацетатный хелатный катионит (Kd = 21) и Axionit RCs – резорцинформальдегидный катионит (Kd = 15). Высокую эффективность сорбции иттрия (Kd = 220) продемонстрировал только Термоксид-50 – диоксид титана, активированный цирконием. Десорбция из него более 90% иттрия за один контакт возможна 0,5 моль/л соляной кислотой. Из минеральных сорбентов наиболее эффективным оказался SIV –синтетический аналог иванюкита (Kd = 590). Гидродинамические эксперименты показали, что сорбенты фракции 0,3 – 0,4 мм могут быть использованы в сорбционной колонке при скорости потока жидкости до 20 колоночных объемов в час (время контакта 3 минуты). Для мембранного узла генератора была найдена устойчивая импрегнированная мембрана на основе смеси 2,3-дигидроксинафталина с карбонатом метилтриоктиламмония и бутилацетатом в микропористом политетарфторэтилене. Но при исследовании переноса иттрия через эту мембрану из карбонатной среды в кислую наблюдалась только нейтрализация кислоты в принимающей фазе без переноса иттрия. Для выяснения причин этих различий нами была исследована кинетика переноса иттрия из карбонатных сред в кислые через аналогичную жидкую мембрану. Значения константы скорости переноса иттрия в органическую фазу k1эк = 1,6∙10-2 см/мин, а переноса из органической фазы в водную k2рэ = 0,174. При таком соотношении констант лимитирующей стадией является экстракция. Время, необходимое для переноса через мембрану 90% иттрия, составляет около 140 минут, что неудобно для генераторных систем. Вероятно, это связано с медленными процессами пересольватации карбонатных комплексов иттрия на границе раздела органической и водной фаз. Полученные нами данные по мембранной экстракции иттрия органическими ионофорами выявили их серьезные недостатки: низкая скорость экстракции иттрия из карбонатных сред, встречный перенос протонов и нейтрализация кислоты в принимающей водной фазе. Учитывая высокую радиационную нагрузку на мембранный узел генератора, использовать можно только неорганические мембраны, поиск которых будет проведен в следующем году. По материалам выполненных исследований подготовлены 4 статьи в реферируемых международных журналах Q2: «Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry» и «Mineralogical Magazine» и сделаны 5 докладов на конференциях.