Научно-исследовательская реферативная работа " За ядерной медициной - будущее"

Департамент общего образования Томской области

Областное государственное бюджетное образовательное учреждение

Кадетская школа-интернат

«Северский кадетский корпус»

«химия»

Тема: «За ядерной медициной - будущее»

Кадет 9 класса

Черноталов Иван

Научный руководитель:

Попова Ольга Леонидовна

Учитель химии и биологии

г. Северск

СОДЕРЖАНИЕ

1 2 3 4	Введение Область примененияисследования Термины, определения и сокращения Принцип работы радионуклидов в медицине	3 4 4 6
5	Теоретическое исследование радионуклида 103Ru для современной медицины	10
6	Выводы	13
7	Список литературы	14

За ядерной медициной - будущее

Введение

Тема выбрана не случайно, в «Северском кадетском корпусе» в нас воспитываютвсесторонне и гармонично развитую личность, обладающую личностными качествами: эстетическим и физическим потенциалом,  а самое главное, в нас воспитываютпатриотизм к Отечеству. Слова «Ядерная держава-Россия», вызвали у меня, чувство гордости за страну, за Родину.

В интернете в поисковике я набрал:«Ядерная энергетика», и оказался на страницах статей по атомной энергетике.

Ядерная медицина- это раздел атомной энергетики, который стал объектом моего исследования.

Ядерная медицина — раздел клинической медицины, который занимается применением радионуклидных фармацевтических препаратов в диагностике и лечении.

Россия входит в число стран-лидеров по производству сырьевых медицинских изотопов[1].

На сегодняшний день Россия может стать самым крупным поставщиком ⁹⁹Mo. Радионуклид ⁹⁹Mo нарабатывали Канада и Галландия 85% и Франция с Бельгией 15%. За последние годы в Канаде закрылись два из пяти реакторов. Российские НИИ, например одно только НИИ Дмитроградское нарабатывает радионуклид ⁹⁹Mo33-38%. Целесообразность и актуальность производства⁹⁹Moзаключается в том, что сейчас в мире молибденовый голод, потребности в нем огромны. Статистика показывает количество радионуклидных процедур около 70 тысяч в день [1].

В данном исследовании использовали информационный метод, который помог в решении главной цели исследования: выяснения возможности применения изотопа ¹⁰³Ruв медицинекак, радиофармпрепарата.

Изучив информационные источники, выяснили, что из-за различных трудностей очистки рутения его не используют в качестве радиофармацевтического препарата. В работе есть современная разработка российских ученых  очистки рутения. Разработку запатентовали и на сегодняшний день, она является действующей, поэтому можно предложить, с учетом новых возможностей очистки рутения, использование изотопа ¹⁰³Ru в качестве радиофармпрепарата.

Область примененияисследования

Настоящая исследовательская работа проделана в ОГБОУКШИ «Северский кадетский корпус» по предмету химия.

Полученные знания в области ядерной медицины можно применять в воспитании патриотизма к отечественной науке, при формировании грамотности в актуальных вопросах атомной отрасли, в предложении своего пути решенияв использовании радионуклидов в медицине.

Термины, определения и сокращения

В настоящей работе применяются следующие термины с соответствующими определениями:

Ядерная медицина — раздел клинической медицины, который занимается применением радионуклидных фармацевтических препаратов в диагностике и лечении.

Радионуклиды - это  нуклиды, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад .

Изотопы – атомы с одинаковым количеством протонов в ядре, но с разным числом нейтронов.

Нуклид– вид атомов, характеризующихся определенным числом протонов (зарядом ядра или атомным номером Z) и нуклонов (массовое число А).

Нуклон – общее название протона и нейтрона, являющихся составными частями атомных ядер.

Вещество радиоактивное - вещество в любом агрегатном состоянии, содержащее радионуклиды с активностью, на которые распространяются требования НРБ.

Доза поглощенная (D) - величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу.

Активность минимально значимая (МЗА) - активность источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов исполнительной власти, уполномоченных осуществлять федеральный государственный санитарно-эпидемиологический надзор на использование этого источника, если при этом также превышено значение минимально значимой удельной активности.

Активность (А) - мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени: Единицей активности является беккерель (Бк).

Радиоактивность—это самопроизвольное испускание излучения каким-либо элементом, обусловленное распадом атомных ядер

b-Излучение. Отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у a-частиц. b-излучение представляет собой поток быстрых электронов.

Группа А – радионуклиды с особо высокой токсичностью.

Группа Б – радионуклиды с высокой токсичностью.

Группа В – радионуклиды со средней токсичностью.

Группа Г – радионуклиды с малой радиотоксичностью.

В настоящей работе приняты следующие сокращения:

РФП – радиофармацевтические препараты.

Z - число протонов

N- число нейтронов

ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент, топливное устройство в ядерных реакторах.

Принцип работырадионуклидов в медицине

Радионуклиды - это  нуклиды, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад [2].

В настоящее время известно 117 элементов с порядковыми номерами от 1 по 116 и 118. Для 81 элемента существует около 280 стабильных изотопов. Изотопы – атомы с одинаковым количеством протонов в ядре, но с разным числом нейтронов. У отдельных элементов число изотопов колеблется в пределах 1..10, причем, только 20 элементов имеют по одному стабильному изотопу.Кроме стабильныхбывают и нестабильные изотопы[2]. Нестабильные изотопы называют в атомной отросли радиоактивными нуклидами.

Радионуклиды применяются в ядерной медицине в основном в виде радиофармацевтических препаратов далее по тексту РФП  для ранней диагностики заболеваний различных органов человека и для целей терапии. РФП называется химическое соединение, содержащие в своей молекуле определенный радиоактивный нуклид, разрешенное для введения человеку с диагностической или лечебной целью. Отличительной особенностью диагностического РФП при этом является отсутствие фармакологического эффекта.Современные методы радиоизотопной диагностики подразделяют на ин виво и ин витро методы. Ин виво методы основаны на введении человеку РФП, а также определении в организме естественных радионуклидов. Эти методы позволяют обеспечить неинвазивное исследование структуры и функции практически всех органов и систем человека с высокой точностью и достоверностью при малой лучевой нагрузке на пациента и персонал. Получение диагностической информации обеспечивается путем введения человеку органотропных РФП, содержащих в своем составе гамма- или позитрон-излучающие радионуклиды, с последующей регистрацией излучения с помощью радиодиагностических приборов (сканеров, гамма-камер, эмиссионных томографов). Ин витро – радиоиммунологические методы используются для определения содержания биологически активных веществ, таких как гормоны, ферменты, опухолевые антигены, лекарства и др., в образцах биологического материала (плазме, сыворотке крови, моче и т.п.)[3].

На основе РФП существуют достаточно много обследований и лечения в медицине. В таблице 1 представлены методырадиоактивной диагностики в медицине на основе РФП.

Таблица-1

Название метода радионуклидной диагностики	Применение
Сцинтиграфия	диагностирует метастазы в скелете, остеопорозы, опухоли. артроз            метастазы
Вентрикулография	рентгенографический метод исследования головного мозга путем введения в желудочки мозга воздуха в качестве рентгеноконтрастного вещества.
Скрининг	селективный осмотр печени, легких костей почек и т.д.Способ,  позволяет выявлять заболевания в их ранних, бессимптомных стадиях, на которых лечение более эффективно.
Ангиокардиография	диагностикаи зондирование полостей сердца.
Позитронно-эмиссионная томография	радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного.

Медицинские приложения радионуклидов можно представить двумя группами. Одна группа — это методы, использующие радиоактивные индикаторы (меченые атомы) с диагностическими и исследовательскими целями. Другая группа методов основана на применении ионизирующего излучения радионуклидов для биологического действия с лечебной целью. К этой же группе можно отнести бактерицидное действие излучения [4].

Метод меченых атомов заключается в том, что в организм вводят радионуклиды и определяют их местонахождение и активность в органах и тканях. Так, например, для диагностирования заболевания щитовидной железы в организм вводят радиоактивный йод или  часть, которого концентрируется в этой железе. Счетчиком, расположенным поблизости от нее, фиксируют накопление йода. По скорости увеличения концентрации радиоактивного йода можно делать диагностический вывод о состоянии щитовидной железы. Рак щитовидной железы может давать метастазы в разные органы. Накопление радиоактивного йода в них может дать информацию о метастазах [4].

Для обнаружения распределения радионуклидов в разных органах тела используют гамма-топограф (сцинтиграф), который автоматически регистрирует распределение интенсивности радиоактивного препарата. Гамма-топограф представляет собой сканирующий счетчик, который постепенно проходит большие участки над телом больного. Регистрация излучения фиксируется, например, штриховой отметкой на бумаге. На рис. 1, а схематически показан путь счетчика, а на рис. 1 б — регистрационная карта.

Рис. 1 Регистрация излучения гамма-топографом

Применяя радиоактивные индикаторы, можно проследить за обменом веществ в организме. Объемы жидкостей в организме трудно измерить непосредственно, метод меченых атомов позволяет решить эту задачу. Так, например, вводя определенное количество радиоактивного индикатора в кровь и выдержав время для его равномерного распределения по кровеносной системе, можно по активности единицы объема крови найти ее общий объем [4].

Гамма-топограф дает сравнительно грубое распределение источников ионизирующего излучения в органах. Более детальные сведения можно получить методом авторадиографии [4].

В этом методе на исследуемый объект, например, биологическую ткань, наносится слой чувствительной фотоэмульсии. Содержащиеся в объекте радионуклиды оставляют след в соответствующем месте эмульсии, как бы фотографируя себя (отсюда и название метода). Полученный снимок называют радиоавтографом или авторадиограммой. На рис. 2 схематически показан слой биологического препарата, содержащий радионуклиды (радиоактивные метки) и слой фотоэмульсии, в котором, после проявления, возникнут темные точки от ионизирующего излучения.

Рис.2 Принцип работы рентгенографа

В живой организм радиоактивные атомы вводятся в таком небольшом количестве, что ни они, ни продукты их распада не оказывают вреда организму.

Теоретическоеисследование радионуклида¹⁰³Ru для современной медицины

Цель исследования – выяснить возможность применения изотопа ¹⁰³Ru в медицине.

Задачи:

1.     Выяснить, фармацевтическую, радиационно-гигиеническую, радиационно-защитнуюстепень пригодности для применения изотопа рутения в медицине.

2.     Сравнить изотоп ¹⁰³Ruс изотопом ⁹⁹Mo(⁹⁹mTc).

3.     Определить положительные и отрицательные результаты работы.

Существуют требования к радионуклидам, используемые в медицинских целях: низкая радиотоксичность, приемлемый период полураспада (от нескольких минут до нескольких часов), удобное для регистрации гамма – излучение. Такими характеристиками обладает изотоп⁹⁹mTc[5].

Продукт распада ⁹⁹Mo - изотоп ⁹⁹mTc - считается рабочей лошадкой ядерной медицины при проведении диагностики заболеваний. Изотоп⁹⁹Mo  является лишь хранителем изотопа ⁹⁹mTc, которыйучаствует вдиагностической процедуре, так как химически накапливается в лигандах и протеинах, которые концентрируются в отдельных органах человеческого тела. Период полураспада ⁹⁹mTc примерно равен 6 часам. Возбуждение с него снимается за счёт испускания фотонов с энергией 140 кэВ, и изотоп превращается в ⁹⁹Tc - радиоактивный изотоп с периодом полураспада 214 тысяч лет. Фотоны с такой энергией идеально подходят для целей регистрации сцинтилляционными детекторами - например, гамма-камерами. В генераторах технеция происходит распад ⁹⁹Moс периодом полураспада около 66 часов  солевого раствора через колонну. Из-за относительно короткого периода полураспада ⁹⁹Moсоздание складских запасов генераторов технеция невозможно. Требуются их регулярные поставки на еженедельной основе или в ещё более короткие сроки[6].

Рассмотрим предлагаемый нами изотоп ¹⁰³Ru.Радиоактивный рутений образуется при работе ядерных реакторов и при взрыве атомных бомб. Это один из наиболее распространенных осколочных элементов. Значительным источником рутения для его добычи является выделение его из осколков деления ядерных материалов (плутоний, уран, торий),  где его содержание в отработанных ТВЭЛахдостигает 250 граммов на тонну «сгоревшего» ядерного топлива. Как известно, при "сжигании" урановых блоков в ядерных реакторах образуется новое ядерное горючее - плутоний. Одновременно образуется и "зола" - осколки деления ядер урана, в том числе и изотопы рутения. Золу, естественно, приходится удалять. Мало того, что ядра осколочных элементов захватывают нейтроны и обрывают цепную реакцию, они еще создают уровни радиации, значительно превышающие допустимые. Основную массу осколков отделить от урана и плутония относительно легко, что и делается на специальных заводах[7].

Искусственно полученно14 радиоактивных изотопов рутения с массовыми числами 94-107 и периодами полураспада от 4 мин до 1 года.В таблице 2 представлены все радиоактивные изотопы рутения[7].

Таблица-2

символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа] (а. е. м.)	Период полураспада] (T1/2)
	Энергия возбуждения
97Ru	44	53	96,907555	2,791 сут
101mRu	527,56 кэВ			17,5 мкс
103Ru	44	59	102,9063238	39,26 сут
103mRu	238,2 кэВ			1,69 мс
105Ru	44	61	104,907753	4,44 ч
106Ru	44	62	105,907329	373,59 сут
107Ru	44	63	106,90991	3,75 мин
108Ru	44	64	107,91017	4,55 мин
109Ru	44	65	108,91320	34,5 с
110Ru	44	66	109,91414	11,6 с
111Ru	44	67	110,91770	2,12 с
112Ru	44	68	111,91897	1,75 с
113Ru	44	69	112,92249	800 мс
113mRu	130 кэВ			510 мс
114Ru	44	70	113,92428	530 мс
115Ru	44	71	114,92869	740 мс
116Ru	44	72	115,93081	400 мс
117Ru	44	73	116,93558	300 мс
118Ru	44	74	117,93782	200 мс
119Ru	44	75	118,94284	170 мс
120Ru	44	76	119,94531	80 мс

Из табличных данных видно, что радиоактивные изотопы рутения короткоживущие, кроме¹⁰³Ru 39,26 суток и ¹⁰⁶Ru 373,59 суток.Наиболее опасный  изотоп¹⁰⁶Ru- это радионуклид с высокой радиоактивностью из всех радиоактивных изотопов рутения с периодом полураспада 1 год. Относится к группе Б опасности. Накапливается в печени, почках, мышцах, костях животных и человека,если попадает  через пищеварительный тракт [7]. Поэтому, чтобы получить  изотоп ¹⁰³Ruнужно избавиться от 106. Такой способ есть и запатентован российскими учеными.

Цель способа – существенное сокращение времени выдержки искусственного рутения после облучения перед хозяйственным использованием, упрощение и удешевление его производства. Предложенный способ очистки искусственного рутения от радиоактивного изотопа¹⁰⁶Ru состоит в том, что порошок ⁹⁹Tc, содержащего не менее 70 мас.% фракции с размером зерна не более 100 мкм, перемешивают с порошком ядерно-инертного слабоактивируемого нейтронами наполнителя, из смеси изготавливают гетерогенную трансмутационную мишень с объемным содержанием наполнителя не менее 15%, после облучения, которой удаляют наполнитель вместе с вылетевшими в него из зерен образовавшегося сплава Tc-Ru ядрами радиоактивного ¹⁰⁶Ru. Максимальный положительный эффект достигается при использовании порошка технеция с размером зерна менее 5 мкм, что соответствует полному выходу изотопа ¹⁰⁶Ruиз зерен порошка в наполнитель[8].

Сравним,  полученный¹⁰³Ru с медицинским технецием по основным характеристикам радиоизотопов. Сравнительная характеристика представлена в таблице 3.

Таблица-3 Характеристика ⁹⁹Mo (⁹⁹mTc) и ¹⁰³Ru

Характеристика	99Mo (99mTc)	103Ru
Класс радиационной опасности	Г (99mTc)	В
Период полураспада	99Mo -3 сут.(99mTc -6 часов)	39,8-сут.
Излучение	β-излучение	β, γ-излучение
Активность (МЗА)	3,7×106 Бк	3,7×104 Бк
Период полувыведения из организма	более 100 суток (99mTc)	Данных нет,  так как он не используется в медицине

Из полученных сравнительных данных можно сделать следующие выводы:

Изотоп ¹⁰³Ru  обладаетпохожими основными характеристиками радиоизотопов,с изотопом ⁹⁹mTc. Он обладает средней  радиотоксичностью. Непродолжительным периодом полураспада, меньшей радиоактивностью.Для радиофармпрепаратов очень важен период полураспада. Молибден, как хранитель используемого технеция имеет период полураспада 3 суток. Поставки его осуществляются еженедельно. Предложенный изотоп рутения, почти месяц может ожидать своего участия в лечении или диагностики. К положительным результатам можно отнести значение радиоактивности  оно чуть ниже, чем у технеция. Еще один положительный результат исследования в том, что рутений в отработанных ТВЭЛах  достигает 250 граммов на 1тонну «сгоревшего» топлива.

Выводы:

1.Предложенный в исследовании изотоп¹⁰³Ru подходит по характеристикам к радиофармпрепаратам.

2.В сравнении  изотопа ¹⁰³Ru с пременяемым в медицине изотопом ⁹⁹mTc выяснили,  что применение исследуемого изотопа возможно.

3.В объеме проведенной работы отрицательных факторов для непригодности изотопа¹⁰³Ru не выявлено.

Список литературы

1. BBCRussian –Россия –Ульяновский молибден -99: возможности и угрозы.  www.bbc.co.uk

2.  Сысоев А.А., Артаев В.Б., Кащеев В.В. Изотопная масс-спектрометрия/ Под общей редакцией А.А.Сысоева- М.: Энергоатомиздат, 1993-288с.: ил.-ISBN5-283-03087-3.

3.  Журнал: «Медицина целевые проекты», №11, 2012г Ст.Ядерная медицина в России: успехи, проблемы и перспективы.

4. Статья 2014г. Использование радионуклидов и нейтронов в медицинеstudopedia.net

5.  Реферат: Применение радионуклидов в ядерной медицинеxreferat.ru›Медицина›…-yadernoiy-medicine.html

6.  Российское атомное сообщество Статья: Молибден-99   www.atomic-energy.ru

4.  Рутений:Химические элементы

premier-pdc.narod.ru›chemfiles/element/Ru/rut.html

8.  Новые российские патенты (полные тексты), RU2375685 Описание изобретения:Способ очистки искусственного рутенияpartkom.com›patent/ru2375685/