加速器直接生产99mTc的化学分离纯化研究现状

范芳丽，程念炜，吴晓蕾，秦 芝

(1.中国科学院 近代物理研究所,兰州 730000;2.兰州大学 核科学与技术学院,兰州 730000;3.先进能源科学与技术广东省实验室,惠州 516000)

99mTc因具有能量适宜的γ射线(140 keV)、半衰期(T1/2=6.01 h)、辐射损伤小以及良好的显像分辨率，而被广泛应用于核医学单光子发射计算机断层显像(SPECT)，被称为现代核医学显像的主力军[1-4]。全球每年99mTc标记药物用于核医学诊断超过3 000万次，99mTc的用量在核医学诊断放射性核素中的比例超过80%[5-8]。99mTc是99Mo(T1/2=65.94 h)的衰变子体核素，通常由裂变型99Mo-99mTc发生器和凝胶型99Mo-99mTc发生器制备。随着放射性药物化学和核医学的快速发展，放射性诊断核素99mTc在临床的应用越来越广泛，从而使得当前全球对其母体核素99Mo的需求不断增加[9-10]。然而全球99Mo/99mTc的供应面临很大危机，因为全球超过90%的99Mo/99mTc供应来自于加拿大、南非、澳大利亚和欧洲的几个反应堆，而这几座主要的实验堆服役时间均超过40年，面临着老化、运行稳定性差或退役等问题，如加拿大的NRU反应堆已于2018年关闭。因此，如何满足99Mo/99mTc日益增长的供应需求仍是未来核医学领域发展的瓶颈问题之一，这就需要建立产能高、安全性好的生产方法。

近年来，基于加速器生产99Mo或者直接生产99mTc成为国际上认可的方法，具有无需反应堆、无高浓缩铀、放射性废物少、不存在核扩散风险等优势[11-13]。虽然100Mo是直接生产医用核素99mTc可行技术[14-19]，但辐照后的100Mo靶中含有大量Mo载体，传统裂变型99Mo/99mTc发生器中的氧化铝吸附容量有限(2～20 mg/g)，导致该技术不能应用在加速器直接生产99mTc的分离纯化中。同时由于100Mo靶中存在微量的其他Mo同位素，造成质子轰击过程中不可避免地产生化学性质相同的其他杂质Tc核素，为了获得临床应用级别的99mTc产品，其质量标准应与从裂变型99Mo/99mTc发生器洗脱得到的Na99mTcO4相同，由于核素99mTc的半衰期较短，亟需发展新的化学分离方法，快速完成从含有大量钼载体溶液分离提取99mTc核素。研究者已经开展了大量的化学分离纯化工作[20-21]。目前从克量级Mo载体中提取微克量级目标核素99mTc的化学分离以湿法为主，过程包括钼靶溶解、化学分离纯化以及质量检验，根据化学分离技术不同可分为柱色谱分离、溶剂萃取与化学沉淀法。在对利用核反应100Mo(p,2n)直接生产99mTc的研究现状进行文献调研的基础上，本文对此研究领域所发展的各种化学分离纯化方法进行详细阐述，以期为我国在开展加速器直接生产99mTc提供一定的参考，促进我国医用同位素的发展。

1 柱色谱分离法

阴离子交换树脂是报道最早用于Tc与其他元素的分离，后来被改进用于99Mo与99mTc的分离，以期用于从大量钼载体或者低比活度的99Mo中分离99mTc[22-24]，满足非铀基生产99Mo/99mTc的技术。如Morley等[25]利用阴离子交换树脂Dowex-1×8开展了加速器直接生产99mTc的分离纯化研究，采用0.2 mg/L的四甲基溴化铵(TBAB)二氯甲烷溶液为洗脱液，99mTc的回收效率只有63.2%，约17%的99mTc保留在阴离子交换树脂上，即使利用自动化分离模块，回收效率也只提高到70%。2015年，Wojdowska 等[26]再一次利用阴离子交换树脂Dowex-1×8开展了从大量Mo中分离99mTc的研究(图1)，并与其他树脂进行了比较。结果与Morley等基本一致，99mTc的回收效率约78%，约21%的99mTc保留在阴离子交换树脂上，说明四甲基溴化铵洗脱阴离子交换树脂上的99mTc效果不理想，且需要降低有机溶剂在产品中的残留。另有研究用NaI溶液来洗脱阴离子交换树脂上的99mTc，但需要通过一个AgCl交换床除去其中的I[23]。

图1 基于阴离子交换树脂Dowex建立的99mTc分离纯化流程[26]Fig.1 Process separation of 99mTc based on the anion exchange resin[26]

印度Das等[24]用硝酸洗脱阴离子交换树脂Dowex-1×8吸附的99mTc，已经实现自动化操作并开展了从辐照后100Mo靶中分离99mTc的实验(该装置命名为TCM-AUTODOWNA，图2)。辐照后的100Mo靶溶解于(NH4)2CO3溶液中，经过一个细长的阴离子交换树脂Dowex-1×8柱，约95%99mTc保留在柱子上，100Mo直接流出，用4 mL的4 mol/L HNO3可以将90%的99mTc洗脱下来，比四甲基溴化铵的洗脱效率高20%。但用硝酸洗脱的99mTc无法直接使用，需要将其蒸发，用生理盐水再溶解，最后过一个酸性Al2O3柱才能得到高锝酸钠溶液。结果发现99mTc的回收率可达80%，质量检测表明，化学纯度、放化纯度以及放射性核纯度都符合临床医用。阴离子交换树脂可以用于加速器直接生产99mTc的化学分离，但99mTc整体的回收效率较低，流程相对繁琐，有机溶剂易残留。因此，利用阴离子交换树脂分离加速器直接生产的99mTc研究难以进一步推广。

图2 自动化TCM-AUTODOWNA分离99mTc的示意图[24]Fig.2 The schematic diagram of 99mTc separation using automation TCM-AUTODOWNA[24]

图3 基于ABEC树脂建立的99mTc分离纯化流程[25]Fig.3 Process separation of 99mTc based on the ABEC resin[25]

Gagnon等[29]在开展100Mo靶的回收过程中，对上述利用ABEC-2000树脂分离99mTc的流程进行了改进，用与ABEC-2000树脂兼容性良好且可通过高温分解去除的(NH4)2CO3代替了KOH。该研究仅开展了ABEC-2000树脂对99mTc的分离以及阳离子交换树脂中和研究，未进一步纯化。制备得到的99mTcO4溶液有杂质核素94gTc、95gTc和96gTc存在，而长寿命95mTc和97mTc未能被检测出，放化纯度大于99%。这些研究证明，ABEC-2000树脂能够从辐照后的大量100Mo靶中有效分离目标核素99mTc，产品的放化纯度也能够达到《美国药典》(USP)对高锝酸盐的要求，但放射性核纯度不符合要求。

虽然上面几种商用PEG树脂材料对Tc 都具有良好的选择性，但美国NorthStar Medical Radioisotopes LLC公司对ABEC树脂具有专利所属权，未商业供应，而且商业化的其他PEG聚合物树脂(如Chemmatrix 和Tentagel树脂)价格高昂[20]。同时在钼锝分离过程中，树脂都是一次性使用，导致99mTc的生产成本较高，因此，需要开发更多性价比高的钼锝分离树脂材料。Andersson等[32]制备了PEG聚合化树脂，将PEG键合在疏水性的C18和C30柱上。通过99mTc示踪实验明确PEG键合在树脂上的量决定99mTc的吸附量，制备的PEG键合C18柱具有和商业化PEG聚合树脂一样的良好性能。采用与ABEC树脂相同的三柱分离流程，第一个分离柱更换为PEG键合C18柱。300 mg100Mo靶经过质子能量、流强和辐照时间分别为17.9 MeV、40 μA和30 min辐照后，溶解于20 mL 1.5 mol/L的(NH4)2CO3溶液中，经过PEG键合C18柱的分离纯化流程，99mTc的回收效率可以达到91.87%± 0.3%，化学纯度与放化纯度也符合《美国药典》要求。该研究表明PEG键合C18柱可以用于分离中等量的99mTc，规模化生产99mTc的研究正在进行中。

红色箭头——ChemMatrix树脂；黄色箭头——阳离子交换树脂；绿色箭头——Al2O3柱图4 几种ChemMatrix resins树脂(左)和99mTc的自动化分离流程装置(右)[31]Fig.4 Some ChemMatrix resins (left)and the automated separation equipment of 99mTc (light)[31]

另外，Wojdowska分别利用PEG键合C18柱、阴离子交换树脂Dowex-1以及AnaLig®Tc-02树脂开展了从大量Mo中分离99mTc的对比研究[26]。实验中所用的99Mo/99mTc溶液从Mo-Tc发生器淋洗出来，结果发现AnaLig®Tc-02树脂对于99mTc的回收率可达85%。该研究确认了利用AnaLig®Tc-02树脂从辐照后100Mo靶中分离99mTc的可行性。Pawlak等[33]利用AnaLig®Tc-02树脂建立的分离纯化流程成功地从辐照后的100Mo(富集度为99.82%，2.5 μA质子辐照2.5 h，质量为723 mg)靶分离出99mTc(图5)。由于该流程中阳离子交换树脂的损失比较大，最终99mTc的回收率只有76%，放化纯度为99.5%。进一步的核纯度测定结果表明，产品中γ放射性的杂质总活度低于《欧洲药典》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%，长寿命的97mTc(T1/2=91 d)含量小于9.4×10-3%，确定了基于AnaLig®Tc-02树脂建立的分离纯化流程的可行性。

图5 基于AnaLig Tc-02建立的分离纯化流程[33]Fig.5 Diagram of 99mTc separation using AnaLig®Tc-02 resin[33]

总之，柱色谱分离在加速器直接产生99mTc的分离纯化方面已开展大量研究，发展了多种柱色谱填充材料，后续的规模化生产还需要验证这些材料的可靠性。

2 溶剂萃取法

1——溶解罐；2——溶剂萃取柱；3——硅胶柱；4——氧化铝柱；5——废液；6——99mTc产品；7——H2O2；8——NaOH溶液；9/10——MEK溶液；11——H2O；12——生理盐水图6 基于甲基乙基酮萃取分离Mo-Tc的流程[39]Fig.6 The schematic drawing of the extraction process for Mo-Tc using MEK[39]

3 化学沉淀法

化学沉淀法是一种传统的分离技术，通过添加一种化学试剂使得某一种金属离子形成沉淀而从混合物中分离。通常加入磷酸铵可以使Mo形成不溶性的磷钼酸铵(NH4)3PMo12O40[41]，从而可以将混合液中的Mo与Tc分开。Gumiela等[42]根据Mo可以形成不溶性的磷钼酸铵这一特点，开展了沉淀法对短时间辐照后100Mo分离99mTc的研究(图7)，辐照后的100Mo用3.5 mol/L HNO3溶解后，加入一定量的磷酸铵形成磷钼酸铵沉淀，过滤除去大量Mo，测量发现溶液中有93.1%的99mTc，滤液中Mo的浓度在0.3 mg/L，还需要进一步纯化。作者利用AnaLigTc-02树脂建立的流程进行了额外纯化，结果发现从辐照后100Mo靶中仅分离得到33.6%的99mTc。虽然磷钼酸铵沉淀可将约90%的Mo除去，但99mTc还需要进一步纯化才能获得符合医用的高锝酸钠溶液，步骤相对比较繁琐。因此，关于沉淀法分离回旋加速器直接产生的99mTc还需要更多研究来证明这种技术的可靠性。

图7 沉淀法分离99mTc的示意图[42]Fig.7 Separation scheme of the precipitation process for 99mTc[42]

4 热色谱分离法

a——靶；b——石英外管；c——中间的石英管；d——石英内管；e——整体装置图8 热色谱法分离99mTc的过程[44]Fig.8 Thermochromatography separation process of 99mTc[44]

热色谱分离法是一种干法分离，它是利用钼酸盐与锝酸盐在热力学性质上的差异来开展分离，挥发性的高低决定了它们在色谱柱中的沉积位置[43]。这种技术产生的废物体积相对较少，同时钼靶材易于回收和复用，已经制备成升华型的钼锝发生器。Richard等[44]报道了热色谱法分离加速器直接生产99mTc的研究，使用良好导热性及高熔点的100MoC2作为靶材，辐照后的钼靶放置到热色谱装置中(图8)加热到850 ℃，保温一段时间加入湿空气促使MoC2转化为MoO3，形成的99mTc氧化物由于良好挥发性沉积在温度较低(约250 ℃)的石英管D中，而MoO3则沉积在较高温度(约500 ℃)的C管中。最后用8 mL热NaOH(1×10-4mol/L)溶液冲洗管D得到分离后的99mTc，整个分离时间需要约45 min。上述热色谱法得到的99mTc还需要经过一个预先酸化的Alumina柱，最后用微量生理盐水洗脱才能得到高比活度的高锝酸钠产品，生理盐水的洗脱效率在71%～75%。纯化后的产品经过药物标记以及小动物的SPECT检验，确定99mTc能够在某些靶向组织中富集，证明该技术可以用于医用回旋加速器辐照100Mo直接产生99mTc的分离纯化。值得注意的是，该技术中MoC2靶子的制备比较费时，需要先将MoO3转化为七钼酸铵固体，然后加入环六亚甲基四胺(HMT)得到(NH4)4(HMT)2Mo7O24化合物，最后经过高温分解才能得到MoC2，100Mo的转化效率约为93%。由于该分离技术在高温条件下操作，需要有效防护放射性气体的污染，同时碳化物靶材中100Mo的含量减少导致99mTc产额降低，因此，关于热色谱法分离加速器直接生产99mTc的研究很少，其可行性还需要大量研究来验证。

5 总结与展望

虽然回旋加速器生产99mTc的技术已经基本成熟，发展了各种化学分离纯化技术并已初步实现自动化分离的模块化，但每一种方法都有各自的缺陷，在成为商业规模化主导技术应用之前必须经过严格的评估。任何一种分离技术既要能有效地回收提取高纯99mTc满足临床要求，同时也要能设备自动化操作以减少放射性对人员的伤害，还要考虑后续富集100Mo靶的易于回收等。除阴离子交换树脂外的多种柱色谱填充材料以及自动化模块的发展使得柱色谱分离已经成为最常用的一种Mo-Tc分离技术。此外，Tc杂质核素是加速器生产99mTc过程中不可忽视的一个问题，应尽可能地通过选择合适的质子能量、辐照时间、冷却时间等来减少这些杂质Tc核素的量。