Afstemming van de oxidatietoestanden van terbium en europium naar terbium-161 en samarium-153 met hoge zuiverheid voor medische toepassingen

Radionucliden hebben verschillende medische toepassingen als radiofarmaca. Het belangrijkste en meest frequente gebruik is voor diagnostische doeleinden om geïnfecteerde, kankerachtige of beschadigde weefsels (vb. na een hartaanval) in beeld te brengen. Meer recent is de belangstelling voor therapeutische radiofarmaca toegenomen, in het bijzonder voor de behandeling van kanker, omdat de ioniserende straling op een precieze en selectieve manier schadelijke tumorcellen kan treffen en vernietigen. In de nucleaire geneeskunde worden de afgelopen jaren verschillende isotopen uit de lanthanidenreeks gebruikt. Radiolanthaniden zijn veelbelovend voor gebruik in de nucleaire geneeskunde vanwege hun gelijkaardige chemische eigenschappen, waardoor coördinatieverbindingen van hetzelfde type kunnen worden gebruikt in een reeks diagnostische en therapeutische toepassingen. Terbium heeft bijvoorbeeld vier radio-isotopen met verschillende vervaleigenschappen, energieën en halfwaardetijden die kunnen worden gebruikt in niet-invasieve theranostische toepassingen. Om dragervrij terbium-161 te produceren, worden hoogaangerijkte gadolinium-160-targets met neutronen bestraald in de Belgian Reactor 2 (BR2). Dit radionuclide zendt beta deeltjes met lage energie uit samen met gamma fotonen en heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met lutetium-177. Bovendien maakt de co-emissie van Auger-elektronen terbium-161 nog aantrekkelijker voor beta en Auger-elektronentherapie.

Samarium-153 is een ander voorbeeld van een radiolanthanide die effectief kan worden gebruikt in de geneeskunde vanwege de gunstige halfwaardetijd en het stabiele dochternuclide europium-153, dat niet zorgt voor significante extra bijwerkingen in het menselijk lichaam. Het wordt vaak gecoördineerd door EDTMP, commercieel verkocht als Quadramet® en Lexidronam®, en wordt toegepast voor de behandeling van pijnlijke botmetastasen veroorzaakt door verschillende vormen van kanker. De beta emissie van samarium-153 wordt gebruikt om schadelijke kankercellen te vernietigen, en de gamma emissie wordt ook gebruikt bij beeldvorming om geïnfecteerde gebieden in het menselijk skelet zichtbaar te maken. Net als veel andere medische radio-isotopen kan samarium-153 het meest efficiënt worden geproduceerd in een nucleaire onderzoeksreactor door een sterk aangerijkt target te bestralen met neutronen in een hoge thermische neutronenflux, wat resulteert in een product met een hoge opbrengst, zuiverheid en specifieke activiteit.

Naast hun dominante driewaardige oxidatietoestand, kunnen sommige lanthaniden ook voorkomen in de tweewaardige of vierwaardige oxidatietoestand. Deze verandering in valentietoestand kan hun chemische eigenschappen veranderen en lanthanidenscheidingen binnen de groep gemakkelijker maken. Hoewel gehydrateerde terbium(III) ionen doorgaans een zeer positief reductiepotentieel hebben, kunnen ze elektrochemisch worden geoxideerd tot hun vierwaardige toestand en worden gestabiliseerd in sterk geconcentreerde carbonaatoplossingen. Terbium(III) kan worden geoxideerd tot terbium(IV) in waterige carbonaat-, nitraat- en perjodaatmedia. Om de stabiliteit van terbium(IV) complexen in waterige elektrolyten te onderzoeken, werden spectroscopische en elementaire analyses uitgevoerd, met een parameterstudie gericht op pH, terbiumconcentratie, zoutconcentratie en toegepaste elektrische potentialen. De laagste toegepaste potentiaal om terbium(III) te oxideren was +0.9 V vs. Ag/AgCl in perjodaatmedium, terwijl nitraat- en perjodaatmedia een slechte stabilisatie van terbium(IV) opleverden in vergelijking met het carbonaatmedium. Daarom lijkt waterig carbonaatmedium het meest veelbelovende medium te zijn voor het ontwikkelen van een scheidingsproces op basis van oxidatietoestandsverandering van terbium. Succesvolle scheiding van terbium(IV) van driewaardige lanthaniden werd bereikt door ionenuitwisselingschromatografie uit te voeren met de carbonaatvorm van Dowex-IX8-hars. De volledige karakterisering en opmerkelijke reproduceerbaarheid van de methodologie demonstreert het potentieel van deze methodologie als een nieuw scheidingsproces voor de opzuivering van terbium(IV).

Verder werd de tweewaardige oxidatietoestand onderzocht op basis van een elektrochemische reductie van europium(III) naar europium(II) in waterige nitraat-, chloride- en perchloraatmedia. De kinetische parameters werden bestudeerd met behulp van een roterende schijfelektrode. Als volgende stap werd de scheiding van Sm van Eu bereikt met behulp van een TEVA-kolom in nitraatvorm. De haalbaarheid van deze scheidingsmethode is getest met behulp van de Sm-153 en Eu-152 isotopen in dezelfde verhouding van de kernreactoromstandigheden.