范芳麗，程念煒，吳曉蕾，秦 芝

(1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所,蘭州 730000;2.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000;3.先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室,惠州 516000)

99mTc因具有能量適宜的γ射線(140 keV)、半衰期(T1/2=6.01 h)、輻射損傷小以及良好的顯像分辨率，而被廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(SPECT)，被稱為現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)顯像的主力軍[1-4]。全球每年99mTc標(biāo)記藥物用于核醫(yī)學(xué)診斷超過(guò)3 000萬(wàn)次，99mTc的用量在核醫(yī)學(xué)診斷放射性核素中的比例超過(guò)80%[5-8]。99mTc是99Mo(T1/2=65.94 h)的衰變子體核素，通常由裂變型99Mo-99mTc發(fā)生器和凝膠型99Mo-99mTc發(fā)生器制備。隨著放射性藥物化學(xué)和核醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，放射性診斷核素99mTc在臨床的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從而使得當(dāng)前全球?qū)ζ淠阁w核素99Mo的需求不斷增加[9-10]。然而全球99Mo/99mTc的供應(yīng)面臨很大危機(jī)，因?yàn)槿虺^(guò)90%的99Mo/99mTc供應(yīng)來(lái)自于加拿大、南非、澳大利亞和歐洲的幾個(gè)反應(yīng)堆，而這幾座主要的實(shí)驗(yàn)堆服役時(shí)間均超過(guò)40年，面臨著老化、運(yùn)行穩(wěn)定性差或退役等問(wèn)題，如加拿大的NRU反應(yīng)堆已于2018年關(guān)閉。因此，如何滿足99Mo/99mTc日益增長(zhǎng)的供應(yīng)需求仍是未來(lái)核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一，這就需要建立產(chǎn)能高、安全性好的生產(chǎn)方法。

近年來(lái)，基于加速器生產(chǎn)99Mo或者直接生產(chǎn)99mTc成為國(guó)際上認(rèn)可的方法，具有無(wú)需反應(yīng)堆、無(wú)高濃縮鈾、放射性廢物少、不存在核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)[11-13]。雖然100Mo是直接生產(chǎn)醫(yī)用核素99mTc可行技術(shù)[14-19]，但輻照后的100Mo靶中含有大量Mo載體，傳統(tǒng)裂變型99Mo/99mTc發(fā)生器中的氧化鋁吸附容量有限(2～20 mg/g)，導(dǎo)致該技術(shù)不能應(yīng)用在加速器直接生產(chǎn)99mTc的分離純化中。同時(shí)由于100Mo靶中存在微量的其他Mo同位素，造成質(zhì)子轟擊過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)相同的其他雜質(zhì)Tc核素，為了獲得臨床應(yīng)用級(jí)別的99mTc產(chǎn)品，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與從裂變型99Mo/99mTc發(fā)生器洗脫得到的Na99mTcO4相同，由于核素99mTc的半衰期較短，亟需發(fā)展新的化學(xué)分離方法，快速完成從含有大量鉬載體溶液分離提取99mTc核素。研究者已經(jīng)開(kāi)展了大量的化學(xué)分離純化工作[20-21]。目前從克量級(jí)Mo載體中提取微克量級(jí)目標(biāo)核素99mTc的化學(xué)分離以濕法為主，過(guò)程包括鉬靶溶解、化學(xué)分離純化以及質(zhì)量檢驗(yàn)，根據(jù)化學(xué)分離技術(shù)不同可分為柱色譜分離、溶劑萃取與化學(xué)沉淀法。在對(duì)利用核反應(yīng)100Mo(p,2n)直接生產(chǎn)99mTc的研究現(xiàn)狀進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，本文對(duì)此研究領(lǐng)域所發(fā)展的各種化學(xué)分離純化方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期為我國(guó)在開(kāi)展加速器直接生產(chǎn)99mTc提供一定的參考，促進(jìn)我國(guó)醫(yī)用同位素的發(fā)展。

1 柱色譜分離法

陰離子交換樹(shù)脂是報(bào)道最早用于Tc與其他元素的分離，后來(lái)被改進(jìn)用于99Mo與99mTc的分離，以期用于從大量鉬載體或者低比活度的99Mo中分離99mTc[22-24]，滿足非鈾基生產(chǎn)99Mo/99mTc的技術(shù)。如Morley等[25]利用陰離子交換樹(shù)脂Dowex-1×8開(kāi)展了加速器直接生產(chǎn)99mTc的分離純化研究，采用0.2 mg/L的四甲基溴化銨(TBAB)二氯甲烷溶液為洗脫液，99mTc的回收效率只有63.2%，約17%的99mTc保留在陰離子交換樹(shù)脂上，即使利用自動(dòng)化分離模塊，回收效率也只提高到70%。2015年，Wojdowska 等[26]再一次利用陰離子交換樹(shù)脂Dowex-1×8開(kāi)展了從大量Mo中分離99mTc的研究(圖1)，并與其他樹(shù)脂進(jìn)行了比較。結(jié)果與Morley等基本一致，99mTc的回收效率約78%，約21%的99mTc保留在陰離子交換樹(shù)脂上，說(shuō)明四甲基溴化銨洗脫陰離子交換樹(shù)脂上的99mTc效果不理想，且需要降低有機(jī)溶劑在產(chǎn)品中的殘留。另有研究用NaI溶液來(lái)洗脫陰離子交換樹(shù)脂上的99mTc，但需要通過(guò)一個(gè)AgCl交換床除去其中的I[23]。

圖1 基于陰離子交換樹(shù)脂Dowex建立的99mTc分離純化流程[26]Fig.1 Process separation of 99mTc based on the anion exchange resin[26]

印度Das等[24]用硝酸洗脫陰離子交換樹(shù)脂Dowex-1×8吸附的99mTc，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作并開(kāi)展了從輻照后100Mo靶中分離99mTc的實(shí)驗(yàn)(該裝置命名為TCM-AUTODOWNA，圖2)。輻照后的100Mo靶溶解于(NH4)2CO3溶液中，經(jīng)過(guò)一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的陰離子交換樹(shù)脂Dowex-1×8柱，約95%99mTc保留在柱子上，100Mo直接流出，用4 mL的4 mol/L HNO3可以將90%的99mTc洗脫下來(lái)，比四甲基溴化銨的洗脫效率高20%。但用硝酸洗脫的99mTc無(wú)法直接使用，需要將其蒸發(fā)，用生理鹽水再溶解，最后過(guò)一個(gè)酸性Al2O3柱才能得到高锝酸鈉溶液。結(jié)果發(fā)現(xiàn)99mTc的回收率可達(dá)80%，質(zhì)量檢測(cè)表明，化學(xué)純度、放化純度以及放射性核純度都符合臨床醫(yī)用。陰離子交換樹(shù)脂可以用于加速器直接生產(chǎn)99mTc的化學(xué)分離，但99mTc整體的回收效率較低，流程相對(duì)繁瑣，有機(jī)溶劑易殘留。因此，利用陰離子交換樹(shù)脂分離加速器直接生產(chǎn)的99mTc研究難以進(jìn)一步推廣。

圖2 自動(dòng)化TCM-AUTODOWNA分離99mTc的示意圖[24]Fig.2 The schematic diagram of 99mTc separation using automation TCM-AUTODOWNA[24]

圖3 基于ABEC樹(shù)脂建立的99mTc分離純化流程[25]Fig.3 Process separation of 99mTc based on the ABEC resin[25]

Gagnon等[29]在開(kāi)展100Mo靶的回收過(guò)程中，對(duì)上述利用ABEC-2000樹(shù)脂分離99mTc的流程進(jìn)行了改進(jìn)，用與ABEC-2000樹(shù)脂兼容性良好且可通過(guò)高溫分解去除的(NH4)2CO3代替了KOH。該研究?jī)H開(kāi)展了ABEC-2000樹(shù)脂對(duì)99mTc的分離以及陽(yáng)離子交換樹(shù)脂中和研究，未進(jìn)一步純化。制備得到的99mTcO4溶液有雜質(zhì)核素94gTc、95gTc和96gTc存在，而長(zhǎng)壽命95mTc和97mTc未能被檢測(cè)出，放化純度大于99%。這些研究證明，ABEC-2000樹(shù)脂能夠從輻照后的大量100Mo靶中有效分離目標(biāo)核素99mTc，產(chǎn)品的放化純度也能夠達(dá)到《美國(guó)藥典》(USP)對(duì)高锝酸鹽的要求，但放射性核純度不符合要求。

雖然上面幾種商用PEG樹(shù)脂材料對(duì)Tc 都具有良好的選擇性，但美國(guó)NorthStar Medical Radioisotopes LLC公司對(duì)ABEC樹(shù)脂具有專利所屬權(quán)，未商業(yè)供應(yīng)，而且商業(yè)化的其他PEG聚合物樹(shù)脂(如Chemmatrix 和Tentagel樹(shù)脂)價(jià)格高昂[20]。同時(shí)在鉬锝分離過(guò)程中，樹(shù)脂都是一次性使用，導(dǎo)致99mTc的生產(chǎn)成本較高，因此，需要開(kāi)發(fā)更多性價(jià)比高的鉬锝分離樹(shù)脂材料。Andersson等[32]制備了PEG聚合化樹(shù)脂，將PEG鍵合在疏水性的C18和C30柱上。通過(guò)99mTc示蹤實(shí)驗(yàn)明確PEG鍵合在樹(shù)脂上的量決定99mTc的吸附量，制備的PEG鍵合C18柱具有和商業(yè)化PEG聚合樹(shù)脂一樣的良好性能。采用與ABEC樹(shù)脂相同的三柱分離流程，第一個(gè)分離柱更換為PEG鍵合C18柱。300 mg100Mo靶經(jīng)過(guò)質(zhì)子能量、流強(qiáng)和輻照時(shí)間分別為17.9 MeV、40 μA和30 min輻照后，溶解于20 mL 1.5 mol/L的(NH4)2CO3溶液中，經(jīng)過(guò)PEG鍵合C18柱的分離純化流程，99mTc的回收效率可以達(dá)到91.87%± 0.3%，化學(xué)純度與放化純度也符合《美國(guó)藥典》要求。該研究表明PEG鍵合C18柱可以用于分離中等量的99mTc，規(guī)模化生產(chǎn)99mTc的研究正在進(jìn)行中。

紅色箭頭——ChemMatrix樹(shù)脂；黃色箭頭——陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；綠色箭頭——Al2O3柱圖4 幾種ChemMatrix resins樹(shù)脂(左)和99mTc的自動(dòng)化分離流程裝置(右)[31]Fig.4 Some ChemMatrix resins (left)and the automated separation equipment of 99mTc (light)[31]

另外，Wojdowska分別利用PEG鍵合C18柱、陰離子交換樹(shù)脂Dowex-1以及AnaLig?Tc-02樹(shù)脂開(kāi)展了從大量Mo中分離99mTc的對(duì)比研究[26]。實(shí)驗(yàn)中所用的99Mo/99mTc溶液從Mo-Tc發(fā)生器淋洗出來(lái)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AnaLig?Tc-02樹(shù)脂對(duì)于99mTc的回收率可達(dá)85%。該研究確認(rèn)了利用AnaLig?Tc-02樹(shù)脂從輻照后100Mo靶中分離99mTc的可行性。Pawlak等[33]利用AnaLig?Tc-02樹(shù)脂建立的分離純化流程成功地從輻照后的100Mo(富集度為99.82%，2.5 μA質(zhì)子輻照2.5 h，質(zhì)量為723 mg)靶分離出99mTc(圖5)。由于該流程中陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的損失比較大，最終99mTc的回收率只有76%，放化純度為99.5%。進(jìn)一步的核純度測(cè)定結(jié)果表明，產(chǎn)品中γ放射性的雜質(zhì)總活度低于《歐洲藥典》要求[34]，其中93Tc、93mTc、94Tc、94mTc、95Tc、95mTc、96Tc、96Nb、97Nb和99Mo的含量在6.7×10-4%～3.4×10-3%，長(zhǎng)壽命的97mTc(T1/2=91 d)含量小于9.4×10-3%，確定了基于AnaLig?Tc-02樹(shù)脂建立的分離純化流程的可行性。

圖5 基于AnaLig Tc-02建立的分離純化流程[33]Fig.5 Diagram of 99mTc separation using AnaLig?Tc-02 resin[33]

總之，柱色譜分離在加速器直接產(chǎn)生99mTc的分離純化方面已開(kāi)展大量研究，發(fā)展了多種柱色譜填充材料，后續(xù)的規(guī)?；a(chǎn)還需要驗(yàn)證這些材料的可靠性。

2 溶劑萃取法

1——溶解罐；2——溶劑萃取柱；3——硅膠柱；4——氧化鋁柱；5——廢液；6——99mTc產(chǎn)品；7——H2O2；8——NaOH溶液；9/10——MEK溶液；11——H2O；12——生理鹽水圖6 基于甲基乙基酮萃取分離Mo-Tc的流程[39]Fig.6 The schematic drawing of the extraction process for Mo-Tc using MEK[39]

3 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是一種傳統(tǒng)的分離技術(shù)，通過(guò)添加一種化學(xué)試劑使得某一種金屬離子形成沉淀而從混合物中分離。通常加入磷酸銨可以使Mo形成不溶性的磷鉬酸銨(NH4)3PMo12O40[41]，從而可以將混合液中的Mo與Tc分開(kāi)。Gumiela等[42]根據(jù)Mo可以形成不溶性的磷鉬酸銨這一特點(diǎn)，開(kāi)展了沉淀法對(duì)短時(shí)間輻照后100Mo分離99mTc的研究(圖7)，輻照后的100Mo用3.5 mol/L HNO3溶解后，加入一定量的磷酸銨形成磷鉬酸銨沉淀，過(guò)濾除去大量Mo，測(cè)量發(fā)現(xiàn)溶液中有93.1%的99mTc，濾液中Mo的濃度在0.3 mg/L，還需要進(jìn)一步純化。作者利用AnaLigTc-02樹(shù)脂建立的流程進(jìn)行了額外純化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從輻照后100Mo靶中僅分離得到33.6%的99mTc。雖然磷鉬酸銨沉淀可將約90%的Mo除去，但99mTc還需要進(jìn)一步純化才能獲得符合醫(yī)用的高锝酸鈉溶液，步驟相對(duì)比較繁瑣。因此，關(guān)于沉淀法分離回旋加速器直接產(chǎn)生的99mTc還需要更多研究來(lái)證明這種技術(shù)的可靠性。

圖7 沉淀法分離99mTc的示意圖[42]Fig.7 Separation scheme of the precipitation process for 99mTc[42]

4 熱色譜分離法

a——靶；b——石英外管；c——中間的石英管；d——石英內(nèi)管；e——整體裝置圖8 熱色譜法分離99mTc的過(guò)程[44]Fig.8 Thermochromatography separation process of 99mTc[44]

熱色譜分離法是一種干法分離，它是利用鉬酸鹽與锝酸鹽在熱力學(xué)性質(zhì)上的差異來(lái)開(kāi)展分離，揮發(fā)性的高低決定了它們?cè)谏V柱中的沉積位置[43]。這種技術(shù)產(chǎn)生的廢物體積相對(duì)較少，同時(shí)鉬靶材易于回收和復(fù)用，已經(jīng)制備成升華型的鉬锝發(fā)生器。Richard等[44]報(bào)道了熱色譜法分離加速器直接生產(chǎn)99mTc的研究，使用良好導(dǎo)熱性及高熔點(diǎn)的100MoC2作為靶材，輻照后的鉬靶放置到熱色譜裝置中(圖8)加熱到850 ℃，保溫一段時(shí)間加入濕空氣促使MoC2轉(zhuǎn)化為MoO3，形成的99mTc氧化物由于良好揮發(fā)性沉積在溫度較低(約250 ℃)的石英管D中，而MoO3則沉積在較高溫度(約500 ℃)的C管中。最后用8 mL熱NaOH(1×10-4mol/L)溶液沖洗管D得到分離后的99mTc，整個(gè)分離時(shí)間需要約45 min。上述熱色譜法得到的99mTc還需要經(jīng)過(guò)一個(gè)預(yù)先酸化的Alumina柱，最后用微量生理鹽水洗脫才能得到高比活度的高锝酸鈉產(chǎn)品，生理鹽水的洗脫效率在71%～75%。純化后的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)藥物標(biāo)記以及小動(dòng)物的SPECT檢驗(yàn)，確定99mTc能夠在某些靶向組織中富集，證明該技術(shù)可以用于醫(yī)用回旋加速器輻照100Mo直接產(chǎn)生99mTc的分離純化。值得注意的是，該技術(shù)中MoC2靶子的制備比較費(fèi)時(shí)，需要先將MoO3轉(zhuǎn)化為七鉬酸銨固體，然后加入環(huán)六亞甲基四胺(HMT)得到(NH4)4(HMT)2Mo7O24化合物，最后經(jīng)過(guò)高溫分解才能得到MoC2，100Mo的轉(zhuǎn)化效率約為93%。由于該分離技術(shù)在高溫條件下操作，需要有效防護(hù)放射性氣體的污染，同時(shí)碳化物靶材中100Mo的含量減少導(dǎo)致99mTc產(chǎn)額降低，因此，關(guān)于熱色譜法分離加速器直接生產(chǎn)99mTc的研究很少，其可行性還需要大量研究來(lái)驗(yàn)證。

5 總結(jié)與展望

雖然回旋加速器生產(chǎn)99mTc的技術(shù)已經(jīng)基本成熟，發(fā)展了各種化學(xué)分離純化技術(shù)并已初步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分離的模塊化，但每一種方法都有各自的缺陷，在成為商業(yè)規(guī)?；鲗?dǎo)技術(shù)應(yīng)用之前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的評(píng)估。任何一種分離技術(shù)既要能有效地回收提取高純99mTc滿足臨床要求，同時(shí)也要能設(shè)備自動(dòng)化操作以減少放射性對(duì)人員的傷害，還要考慮后續(xù)富集100Mo靶的易于回收等。除陰離子交換樹(shù)脂外的多種柱色譜填充材料以及自動(dòng)化模塊的發(fā)展使得柱色譜分離已經(jīng)成為最常用的一種Mo-Tc分離技術(shù)。此外，Tc雜質(zhì)核素是加速器生產(chǎn)99mTc過(guò)程中不可忽視的一個(gè)問(wèn)題，應(yīng)盡可能地通過(guò)選擇合適的質(zhì)子能量、輻照時(shí)間、冷卻時(shí)間等來(lái)減少這些雜質(zhì)Tc核素的量。