醫(yī)用同位素生產(chǎn)現(xiàn)狀及技術(shù)展望

高　峰，林　力，劉宇昊，馬興均

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都　610041)

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醫(yī)用同位素生產(chǎn)現(xiàn)狀及技術(shù)展望

高峰，林力，劉宇昊，馬興均

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610041)

摘要：本文概述同位素生產(chǎn)技術(shù)，介紹醫(yī)用同位素生產(chǎn)現(xiàn)狀，分析供求關(guān)系和面臨的問題，提出醫(yī)用同位素的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)展望。隨著核醫(yī)學(xué)迅速發(fā)展，醫(yī)用同位素在疾病診斷和臨床治療中發(fā)揮越來越重要的作用。我國人口基數(shù)龐大，國內(nèi)醫(yī)用同位素主要依賴進(jìn)口。建立產(chǎn)能高、安全性好的醫(yī)用同位素生產(chǎn)堆有望突破核醫(yī)學(xué)的發(fā)展瓶頸。傳統(tǒng)反應(yīng)堆同位素生產(chǎn)技術(shù)仍有優(yōu)化空間，新型反應(yīng)堆同位素生產(chǎn)技術(shù)亟待研究和推廣，不依賴反應(yīng)堆的同位素生產(chǎn)技術(shù)仍具有一定的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用同位素；反應(yīng)堆；加速器；核素發(fā)生器

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和核醫(yī)學(xué)儀器的發(fā)展，醫(yī)用同位素在疾病診斷和臨床治療中發(fā)揮著越來越重要的作用。在發(fā)達(dá)國家，約五分之一的患者需要用到醫(yī)用同位素[1]。99mTc、89Sr和131I是最重要的三種醫(yī)用同位素。其中，99mTc半衰期短且只發(fā)射低能γ射線，使用安全，廣泛用于臟器顯像和臨床藥物中；89Sr是具有親骨性的放射性藥物，可用于緩解骨轉(zhuǎn)移癌引起的骨痛，并具有良好的長效鎮(zhèn)痛作用[2]；131I是最早用于治療疾病的放射性同位素之一，可治療甲狀腺增生等疾病。

目前，全球有較全面的同位素生產(chǎn)體系，但很多設(shè)施嚴(yán)重老化，未來醫(yī)用同位素的供應(yīng)缺口較大，建立穩(wěn)定、安全的供應(yīng)體系具有重要的意義。本文旨在概述同位素生產(chǎn)技術(shù)，介紹醫(yī)用同位素生產(chǎn)現(xiàn)狀，分析供求關(guān)系和面臨的問題，提出醫(yī)用同位素的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)展望。

1放射性同位素生產(chǎn)技術(shù)

1.1反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性同位素

1.1.1傳統(tǒng)反應(yīng)堆同位素生產(chǎn)技術(shù)

通過反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性同位素的傳統(tǒng)方法包括裂變法和中子活化法。以99Mo為例，裂變法235U(n,f)99Mo的生產(chǎn)工藝為：235U制靶→堆內(nèi)輻照→靶件切割→溶解→化學(xué)提純→99Mo產(chǎn)品；中子活化法98Mo(n,γ)99Mo的生產(chǎn)工藝為：98Mo制靶→堆內(nèi)輻照→靶件切割→溶解→化學(xué)提純→99Mo產(chǎn)品。

在235U裂變中，99Mo產(chǎn)額為6.06%，131I產(chǎn)額為3.1%，可大規(guī)模生產(chǎn)99Mo、131I等放射性核素，同時(shí)可提取國防工業(yè)用的95Zr、144Ce等裂變?cè)?。中子活化法則具有品種多、放射性廢物量小、生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1.1.2新型反應(yīng)堆同位素生產(chǎn)技術(shù)

1944年，Richard Feynman首次提出溶液堆堆型[3]。同年，世界上第一座均勻性溶液堆在美國落成。此后，全球共建立了70多座研究型水溶液堆。

溶液堆生產(chǎn)裂變?cè)鼐哂兄芷诙?、產(chǎn)量大、操作簡(jiǎn)便、鈾利用率高、廢物產(chǎn)生量小等優(yōu)勢(shì)，美國Babcok&Wicox公司在1992年提出醫(yī)用同位素生產(chǎn)堆(MIPR)概念。這種新的放射性核素生產(chǎn)堆得到行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注和重視。許多國家都對(duì)同時(shí)生產(chǎn)99Mo、89Sr、131I的均勻性溶液堆加緊了研究工作[4-6]。但至今公開報(bào)道的醫(yī)用同位素生產(chǎn)堆只有俄羅斯的ARGUS堆。

1.2加速器生產(chǎn)放射性同位素

通過反應(yīng)堆生產(chǎn)的放射性核素不能完全滿足醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求，加速器作為一種生產(chǎn)手段，在很大程度上彌補(bǔ)了放射性同位素種類的不足。利用加速器產(chǎn)生的高速帶電粒子轟擊含有特定穩(wěn)定核素的靶件，能得到很多種類的放射性同位素。目前，可用加速器生產(chǎn)的放射性核素種類占已知放射性核素種數(shù)的60%以上。

在IAEA的成員國中，回旋加速器已超過350臺(tái)，大部分用于正電子發(fā)射顯像核素的生產(chǎn)，尤其是制備18FDG的18F。微型回旋加速器體積小、操作方便、建造費(fèi)用低，適合在醫(yī)院就地制備11C、13N、15O、18F等短壽命核素。大型加速器則用于制備較長壽命或一般情況下難以制備的核素，如82Sr、52Fe等。靜電加速器和直線加速器在放射性同位素制備中應(yīng)用相對(duì)較少。

1.3放射性核素發(fā)生器生產(chǎn)放射性同位素

放射性核素發(fā)生器能定期從長壽命母體核素中分離出短壽命子體核素，為短壽命子體核素的應(yīng)用，特別是為那些遠(yuǎn)離反應(yīng)堆和不具備加速器的地方提供了有利條件。最常見的放射性核素發(fā)生器有99Mo-99mTc、188W-188Re、68Ge-68Ga、113Sn-113mIn和90Sr-90Y發(fā)生器。放射性核素發(fā)生器使用的母體核素是通過反應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)的，能夠多次、安全方便地提供無載體、高核純和高比活度的短半衰期核素，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和科研等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

2生產(chǎn)現(xiàn)狀

2.1國外生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，全球生產(chǎn)放射性同位素的反應(yīng)堆主要有美國的HFIR、MURR，加拿大的NRU，荷蘭的HFR，法國的SILOE、OSIRIS，比利時(shí)的BR-2，澳大利亞的HIFAR和南非的SAFARI-1，另外俄羅斯和東歐也有一些用于生產(chǎn)放射性同位素的反應(yīng)堆[7]。這些反應(yīng)堆多建于上世紀(jì)五六十年代，老化嚴(yán)重，預(yù)計(jì)在2016～2030年間陸續(xù)關(guān)閉。近15年來，影響放射性同位素生產(chǎn)的事件頻發(fā)(表1)，僅影響99Mo供應(yīng)的事件就發(fā)生了十余起[8]。2007年因NRU堆安全升級(jí)停堆導(dǎo)致數(shù)千例醫(yī)療診斷和治療程序被取消。2008年比利時(shí)、加拿大、南非、荷蘭和法國的幾座重要同位素生產(chǎn)堆在數(shù)周內(nèi)先后停堆，全球再次出現(xiàn)醫(yī)用同位素供應(yīng)緊張的局面。為此，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織核能機(jī)構(gòu)(OECD/NEA)于2009年在巴黎召開會(huì)議，討論如何確保99Mo-99mTc的供應(yīng)問題。2011年OECD/NEA公布了一份題為《醫(yī)用同位素供應(yīng)：99mTc的全球長期需求評(píng)估》報(bào)告，據(jù)此估計(jì)全球醫(yī)用同位素在2016年面臨供不應(yīng)求的局面。此外，大多數(shù)現(xiàn)有的輻照裝置從2015年開始實(shí)施靶件轉(zhuǎn)換，即用低濃鈾靶件替換現(xiàn)有的高濃鈾靶件，這將導(dǎo)致同位素供應(yīng)能力降低。

表1　近15年來部分影響放射性同位素生產(chǎn)的事件

2.2國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀

1958年，由前蘇聯(lián)援建的重水反應(yīng)堆和回旋加速器在中國原子能科學(xué)研究院(簡(jiǎn)稱原子能院)投運(yùn)，成功研制了33種反應(yīng)堆照射的放射性同位素，開創(chuàng)了我國同位素技術(shù)的應(yīng)用事業(yè)。1996年，原子能院與比利時(shí)合作建成一臺(tái)先進(jìn)回旋加速器及其放射性同位素藥物研制生產(chǎn)裝置。1967年，原子能院建成游泳池式輕水堆，系統(tǒng)地開展了放射性藥物的研究工作。80年代起，中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院利用擁有的高通量堆和輕水堆生產(chǎn)131I、125I、32P、89Sr等放射性同位素和凝膠型99Mo-99mTc、113Sn-113mIn、99Tc-MDP、放免藥盒等產(chǎn)品。同期，中國工程物理研究院也利用輕水堆開展放射性同位素及藥物研究。90年代初，上?？婆d藥業(yè)公司從比利時(shí)引進(jìn)一臺(tái)回旋加速器，主要用于SPECT、PET等顯像藥物、188W-188Re發(fā)生器和89SrCl2注射液等的研制。

至今，我國已基本形成包括反應(yīng)堆、加速器生產(chǎn)的醫(yī)用放射性同位素及其藥物生產(chǎn)體系，具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)。但2008年后，國內(nèi)反應(yīng)堆同位素生產(chǎn)活動(dòng)幾乎全部停止[9]，原本有限的生產(chǎn)規(guī)模更無法滿足持續(xù)增長的市場(chǎng)需求，醫(yī)用同位素又回到了依賴進(jìn)口的局面。

3發(fā)展趨勢(shì)

近年來，醫(yī)用同位素用量的年增幅維持在10%左右[5,10]，預(yù)計(jì)未來供應(yīng)缺口很大。鑒于其重要用途和供求關(guān)系，醫(yī)用同位素的研究和生產(chǎn)是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一?？傮w而言，醫(yī)用同位素生產(chǎn)向著提高安全性和經(jīng)濟(jì)性的方向發(fā)展。

3.1提高安全性

涉核活動(dòng)的安全問題一直倍受各國政府和公眾的關(guān)注，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求也越來越嚴(yán)苛。今后，同位素生產(chǎn)環(huán)節(jié)必將更加重視公眾受照和環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。為減少核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，日本原子能機(jī)構(gòu)的JMTR堆將采用一種無需使用武器級(jí)高濃鈾的99Mo和99mTc生產(chǎn)途徑，這種“等離子體燒結(jié)”工藝生產(chǎn)的99Mo預(yù)計(jì)能滿足國內(nèi)25%的需求。荷蘭則致力于在較低中子流量的研究堆中使98Mo轉(zhuǎn)變?yōu)?9Mo。

2008年，加拿大政府終止兩座MAPLE反應(yīng)堆的建造計(jì)劃，并啟動(dòng)一項(xiàng)不基于反應(yīng)堆的同位素供應(yīng)計(jì)劃，該計(jì)劃支持“回旋加速器商業(yè)化生產(chǎn)99mTc”的項(xiàng)目。同時(shí)，MDS Nordion公司與加拿大國家粒子與核物理實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)利用直線加速器通過光致裂變生產(chǎn)99Mo的技術(shù)。

3.2提高經(jīng)濟(jì)性

醫(yī)用同位素的生產(chǎn)和使用不涉及軍事、國防等政治因素，全球集中供應(yīng)的模式仍將沿用。在若干年內(nèi)，大部分國家都將以進(jìn)口為主。掌握生產(chǎn)規(guī)模大、綜合成本低的同位素生產(chǎn)技術(shù)，有助于提高在供應(yīng)市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

代爾夫特理工大學(xué)開發(fā)了一種以98Mo制備醫(yī)用同位素的新方法，該技術(shù)采用中子轟擊Mo原子，無需高通量反應(yīng)堆，也不依賴研究堆及其相關(guān)的燃料、設(shè)備和安全裝置。而加拿大、中國、美國、俄羅斯和智利擁有豐富的Mo礦，這使得該技術(shù)的應(yīng)用面和經(jīng)濟(jì)性均有一定提高。

4展望

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，放射性同位素的需求與日俱增。為保障醫(yī)用同位素的穩(wěn)定供應(yīng)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)同位素生產(chǎn)過程中的安全性，有必要完善現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)和研發(fā)新的生產(chǎn)工藝。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，醫(yī)用同位素的生產(chǎn)技術(shù)有望在以下幾個(gè)方面取得突破。

4.1傳統(tǒng)反應(yīng)堆生產(chǎn)同位素

雖然傳統(tǒng)的反應(yīng)堆同位素生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高[11]，但在MIPR成熟和推廣之前，醫(yī)用同位素仍主要依賴裂變和中子活化的方法生產(chǎn)。優(yōu)化現(xiàn)有的工藝過程，對(duì)降低成本、提高效率具有積極意義。

醫(yī)用同位素活度衰減很快，因此效率高、耗時(shí)短的核素提取技術(shù)極具研發(fā)價(jià)值。另外，輻照時(shí)間和靶件制造也有待優(yōu)化。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和材料科學(xué)的發(fā)展，有望取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

4.2新型反應(yīng)堆生產(chǎn)同位素

與傳統(tǒng)反應(yīng)堆同位素生產(chǎn)技術(shù)相比，新型反應(yīng)堆(MIPR)具有如下優(yōu)勢(shì)：1) 負(fù)溫度系數(shù)大，反應(yīng)堆具有反應(yīng)自調(diào)節(jié)性，固有安全性好；2) 建堆成本較低，總成本一般不到靶件輻照堆的一半；3) 同位素生產(chǎn)能力大：據(jù)理論計(jì)算，200 kW的水溶液堆正常運(yùn)行，全年可生產(chǎn)3.33×1015Bq的99Mo、7.4×1014Bq的131I、1.48×1015Bq的89Sr；4)235U的裝量少，利用率高；5) 同位素生產(chǎn)和提取操作簡(jiǎn)單，放射性廢物產(chǎn)量少。

由此可見，MIPR是一種生產(chǎn)醫(yī)用同位素的理想堆型。溶液堆的建設(shè)、運(yùn)行積累了大量經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)成熟度較高，美國已通過理論計(jì)算驗(yàn)證了建造高功率MIPR的可行性[12-13]。開展相關(guān)研究攻克關(guān)鍵技術(shù)和工程難題后，有望建成高功率的MIPR示范工程。與其他技術(shù)相比，MIPR優(yōu)勢(shì)明顯，具有較好的發(fā)展前景，將會(huì)成為我國醫(yī)用同位素的主要來源。

4.3不依賴反應(yīng)堆的同位素生產(chǎn)

裂變、中子活化等方法在未來一段時(shí)間內(nèi)仍將是生產(chǎn)醫(yī)用同位素的主要方法。對(duì)于人口少、需求量小的國家或交通不便的地區(qū)，尤其是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)能力不足以承擔(dān)反應(yīng)堆運(yùn)行的國家，建立回旋加速器或直線加速器用于醫(yī)用同位素的生產(chǎn)，是擺脫同位素產(chǎn)品全部依賴進(jìn)口局面的最佳選擇。

不依賴反應(yīng)堆的同位素生產(chǎn)技術(shù)可以在非計(jì)劃停堆造成同位素供給不足時(shí)，作為同位素的后備生產(chǎn)線。由于大部分醫(yī)用同位素的半衰期較短，無法建立充裕的庫存，不依賴反應(yīng)堆的生產(chǎn)技術(shù)對(duì)確保醫(yī)用同位素的安全、穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。

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Production Situation and Technology Prospect of Medical Isotopes

GAO Feng, LIN Li, LIU Yu-hao, MA Xing-jun

(NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu610041,China)

Abstract:The isotope production technology was overviewed, including traditional and newest technology. The current situation of medical isotope production was introduced. The problems faced by isotope supply and demand were analyzed. The future development trend of medical isotopes and technology prospect were put forward. As the most populous country, nuclear medicine develops rapidly, however, domestic isotope mainly relies on imports. The highly productive and relatively safe MIPR is expected to be an effective way to breakthrough the bottleneck of the development of nuclear medicine. Traditional isotope production technologies with reactor can be improved. It's urgent to research and promote new isotope production technologies with reactor. Those technologies which do not depend on reactor will have a bright market prospects.

Key words：medical isotopes; reactor; accelerator; nuclide generator

收稿日期：2016-01-11;修回日期：2016-03-13

作者簡(jiǎn)介：高峰(1986—)，男，湖北孝感人，助理研究員，主要從事放射化學(xué)方向研究

中圖分類號(hào)：R817.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-7512(2016)02-0116-05

doi：10.7538/tws.2016.29.02.0116