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核能和医学领域:3D打印不锈钢助力自主研发医用放射性核素

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-05-16 11:33:50   浏览次数:3401  
核心提示:近日,田纳西的橡树岭国家实验室(ORNL)有很多与3D打印相关的新发现,这对于顺利开展实验研究,推动科技发展来说,意义不可小觑。
3D打印在各种终端产品中的应用与日俱增,它还可以帮助研究人员进行实验研究。近日,田纳西的橡树岭国家实验室(ORNL)有很多与3D打印相关的新发现,这对于顺利开展实验研究,推动科技发展来说,意义不可小觑。
 
 
放射性核素钼-99 (Mo-99)与短命的锝-99m(Tc-99m)属同一类,Tc-99m非常适用于心脏核压力测试中的血流动图示分析,可以说是医学诊断图像学最有效的放射性同位素。
 
先前,FDA批准了第一批生产过程不使用高浓铀(HEU)、且用于国内生产的Mo-99。近十年来,美国能源部的国家核安全局(NNSA)一直在倡导不使用高浓铀来进行Mo-99的生产。
 
 
“我们希望能用极低的成本回收价实现钼-99的商业生产,能够协助不使用高浓铀的机构,我们很开心。”ORNL负责 Mo-99研究的克里斯·布莱恩表示。
 
 
据国家核安全局称,美国每天使用Mo-99的医疗设施有4万多个,但这些都是100%进口的,其中大部分要使用高浓铀。为了减少美国对其他国家的依赖程度,阿贡国家实验室、ORNL、洛斯阿拉莫斯国家实验室和萨凡纳河国家实验室等几个美国能源部实验室都获得了非专有国家技术资金支持,来研发新技术。
 
Tc-99m在6小时内失效,而Mo-99可维持66小时。快速衰减对于那些不希望长时间暴露在辐射下的患者来说,是非常好的福利,但是这样一来,制造商就无法长时间储存Tc-99m,因为如果Tc-99m失效或者作用减弱,就不能用来显示高清的图像了。于是,放射药剂师通过一种装有Mo-99树脂运行溶液的装置,释放Tc-99m,一经生产就直接奔赴医院,一刻都不敢延误。
 
威斯康星州的NorthStar Medical放射性同位素公司和SHINE医疗技术公司都与国家核安全局签署了合作协议,以增加国内同位素产量,ORNL的研究人员也参与了多项旨在使Mo-99不含高浓铀的研发项目。
 
NorthStar通过采用稳定的钼靶材料的中子俘获工艺生产Mo-99,同时使用了加速器,与使用铀的加工工艺相似,只是全程不使用高浓铀。一个电子加速器轰击一个富含Mo-100的目标需要六天,同时产生强烈的γ射线,γ射线可击中混合物中的中子,产生Mo-99。氦气在系统中流动可以起到散热的作用,因此用于制造靶材的材料需要足够的韧性以承受应力,同时质量需要很轻,方便快速溶解,回收同位素。
 
唯一的问题是,浓缩的Mo-100并不便宜。在ORNL的初始目标中,一张只有半美元大小的原始材料需花费数千美元。另外,相对Mo-100来说,撞击加速器中的电子转化率只有不到10%,这意味着NorthStar必须恢复并回收剩余的电子。
 
ORNL的里克·罗登是一位负责开发目标材料和制造技术的冶金学家,他解释道:“每次处理粉末,都免不了要经过磨碎、筛分、喷涂和舍弃,才能尽量把剩余的电子完全回收。”
 
 
首先,ORNL的研究人员将钼粉与水溶性聚合物混合,采用喷雾干燥法将小颗粒结合成较大的球形附聚物。在压制和加热喷雾干燥的粉末之后,生产出坚固、快速溶解、具有严格尺寸公差的圆盘。不幸的是,当他们用激光加热盘片来模拟NorthStar加速器内部的条件时,材料不均匀受热,会发生扭曲。
 
为了解决这个问题,他们决定用3D打印技术加工一个夹持盘,事实上,由于加速器部件的设计,盘的直径和厚度必须有所改变。
 
布赖恩表示:“这是一个动人的目标。”
 
于是,在与洛斯阿拉莫斯的设计师合作之下,ORNL负责加速器系统,并以不锈钢为原料,3D打印出所需的组件。相关物质转运到阿贡那里,用于回收未转化的Mo-100。这个过程是可持续的,因为再循环的沉淀物将返回到ORNL中,重新被加工成用于下一次组装的3D打印原料。
 
由于钼具有2600°C的高熔点,ORNL在Renishaw激光熔化系统中还安装了一个特殊的400瓦激光器;雷尼绍构建了一个迷你版的内置容器,可以容纳较少量的Mo-100,以节省成本;此外,ORNL还安装了一个15000瓦的等离子体系统,该系统可以通过喷雾干燥钼团聚体来回收利用激光熔化的材料,从而将致密的球形颗粒制成3D打印原料。
 
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