Đồng vị phóng xạ từ lâu đã trở thành yếu tố không thể thiếu trong y tế (y học hạt nhân). Với khoảng 80% lượng đồng vị sản xuất trên toàn thế giới, đồng vị phóng xạ trong y tế ngày càng thể hiện vị trí quan trọng và có sự ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh. Tùy từng loại bệnh lý, y học hạt nhân đòi hỏi sử dụng rất nhiều dạng đồng vị phóng xạ khác nhau như đồng vị phát xạ positron (C-11, N-13, O-15, F-18…) cho xạ hình PET, PET/CT; đồng vị sống phát xạ gamma (Ga-67, Tl-201, In-111, Tc-99m,…) cho xạ hình SPECT, SPECT/CT; hay như đồng vị phóng xạ sử dụng trong điều trị I-131, Y-90, P-32… Trong số này, Tc-99m là đồng vị chiếm tỷ lệ sử dụng cao nhất hiện nay.
Tecneti là nguyên tố hóa học số nguyên tử 43 và ký hiệu Tc, có nguyên tử lượng và số nguyên tử nhỏ nhất trong số các nguyên tố không có đồng vị ổn định nào. Trên Trái Đất, Tc là nguyên tố được con người phát hiện ra nhờ quá trình tổng hợp. Tc là kim loại chuyển tiếp màu xám bạc và kết tinh có tính chất hóa học trung gian giữa rheni và mangan. Đồng vị phóng xạ của Tc là Tc-99m phát bức xạ gamma và có chu kỳ sống ngắn, được sử dụng trong y học hạt nhân. Tc-99m được sử dụng như là nguồn chứa các hạt beta không chứa tia gamma. Năm 1937, đồng vị Tc-97 trở thành nguyên tố chủ yếu từ nhân tạo đầu tiên được sản xuất. Phần lớn tecneti sản xuất trên Trái Đất là phụ phẩm của phân hạch U-235 trong các lò phản ứng hạt nhân và được giải phóng từ các thanh nhiên liệu hạt nhân. Không có đồng vị nào của tecneti có chu kỳ bán rã dài hơn 4,2 triệu năm (Tc-98), vì thế việc phát hiện ra Tc trong các ngôi sao khổng lồ đỏ vào năm 1952 đã hỗ trợ cho học thuyết rằng các ngôi sao có thể sản sinh ra các nguyên tố nặng. Trên Trái Đất, tecneti có ở dạng dấu vết nhưng có thể đo đạc được như là sản phẩm của phân hạch ngẫu nhiên trong quặng urani hay từ việc bắt neutron trong các quặng molypden.
Tc-99
Tecneti là kim loại màu xám bạc có tính phóng xạ với bề ngoài tương tự như bạch kim. Tecneti là nguyên tố bất thường trong số các nguyên tố nhẹ và trung bình ở chỗ không có đồng vị ổn định nào. Vì thế tecneti là cực kỳ hiếm trên Trái Đất, không đóng vai trò gì trong sinh học tự nhiên và thông thường không tìm thấy trong cơ thể người. Tecneti bị mờ xỉn chậm trong không khí ẩm và sẽ cháy trong oxy khi ở dạng bột. Cấu trúc tinh thể của tecneti kim loại là lục giác gắn kín.
Tecneti được sản xuất bằng phân hạch hạt nhân và vận chuyển dễ dàng hơn so với nhiều nuclit phóng xạ khác. Tecneti có độc tính hóa học thấp. Tc99m có vai trò quan trọng trong các ứng dụng y học, do bức xạ từ đồng vị này là tia gama với bước sóng tương tự như các tia X dùng trong ứng dụng chẩn đoán sử dụng tia X thông thường. Tc có khả năng thâm nhập cơ thể trong khi gây ra tổn thương tối thiểu đối với lượng tử gamma. Với chu kỳ bán rã tương đối dài của đồng vị được sinh ra (Tc-99) cho phép Tc loại bỏ ra khỏi cơ thể trước khi bị phân rã. Điều này mang tới liều tương đối thấp của chiếu xạ chỉ định về mặt sinh học đối với các ca chiếu chụp chẩn đoán dựa trên Tc-99m.
Đồng vị phổ biến nhất của Tc là Tc-99, nguồn bức xạ beta yếu có thể bị ngăn lại bởi các thiết bị bằng thủy tinh trong phòng thí nghiệm. Tia X mềm được sinh ra khi các hạt beta tương tác với vật liệu che chắn, với khoảng cách trên 30 cm thì các tia X này nói chung vô hại. Nguy hiểm chính khi làm việc với tecneti là hít phải bụi của nó; do nhiễm bẩn phóng xạ trong phổi có thể nâng cao độ rủi ro bị ung thư.
Sản xuất Tc-99 từ chất thải hạt nhân
Tc-99 được sản xuất từ các thanh nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Một gam U-235 Sự phân hạch trong các lò phản ứng hạt nhân sinh ra 27 mg Tc-99, hiệu suất sinh sản phẩm phân hạch là 6,1%, tương tự là 4,9% từ U-233 hay 6,21% từ Pu-239. Thống kê tới năm 1994, khoảng 49.000 TBq (78 tấn) tecneti đã được sản xuất trong các lò phản ứng hạt nhân và đây cũng là nguồn chủ lực trong cung cấp tecneti trên thế giới. Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ được sử dụng về mặt thương mại. Do sản lượng sinh ra từ phân hạch lớn và chu kỳ bán rã tương đối dài nên Tc-99 là một trong những thành phần chính của chất thải hạt nhân.
Là kết quả của tái chế nhiên liệu hạt nhân, Tc thải vào biển ở một số khu vực và một số hải sản chứa lượng rất nhỏ tecneti, như tôm hùm châu Âu từ miền tây Cumbria. Chu kỳ bán rã dài của Tc-99 và khả năng tạo ra các dạng anion làm cho Tc là mối e ngại chính khi xem xét tới xử lý dài hạn rác thải có mức phóng xạ cao. Sản xuất thực tế Tc-99 từ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là một quy trình dài. Trong tái chế nhiên liệu, nó xuất hiện trong dạng chất thải lỏng có tính phóng xạ cao. Sau khi để vài năm, độ phóng xạ giảm xuống tới điểm có thể tách ra các đồng vị tồn tại lâu, bao gồm Tc-99.
Kích hoạt neutron đối với molypden và các nguyên tố khác
Đồng vị đồng phân hạt nhân (trạng thái khi hạt nhân bị kích thích) Tc-99m được sinh ra như là sản phẩm phân hạch từ phân hạch urani hay plutoni trong các lò phản ứng hạt nhân. Do nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng được lưu giữ trong vài năm trước khi tái chế, cả Mo-99 và Tc-99m được tách ra từ các nguyên tố nhóm actini chính trong tái chế hạt nhân thông thường. Phần lớn Tc-99m sử dụng trong y học được tạo ra từ Mo-99 kích hoạt neutron từ Mo-98. Mo-99 có chu kỳ bán rã 67 giờ, vì thế Tc-99m tồn tại ngắn (chu kỳ bán rã 6 giờ). Các đồng vị khác của tecneti không được sinh ra với lượng lớn từ phân hạch; khi cần thiết chúng được sản xuất bằng cách kích hoạt neutron từ các đồng vị (ví dụ T-c97 có thể tạo ra bằng kích hoạt neutron Ru-96).
Quy trình sản xuất Mo-99
Việc sản xuất Mo-99 bao gồm 3 giai đoạn chính:
– Giai đoạn vận hành lò phản ứng: Phân hạch nhiên liệu hạt nhân trong lò phản ứng để tạo ra 99Mo. Nhiên liệu sử dụng trong các lò phản ứng nghiên cứu gồm loại có độ giàu cao HEU (hàm lượng 235U trên 20%) và độ giàu thấp LEU (hàm lượng 235U dưới 20%);
– Giai đoạn tinh chế và sản xuất bình sinh xạ: Các thanh nhiên liệu đã cháy trong lò phản ứng hạt nhân (hoặc các bia đã được chiếu xạ) được xử lý nhằm thu lại đồng vị 99Mo. Đồng vị 99Mo thành phẩm (dạng lỏng) được đưa vào bình chứa đặt trong các bình sinh xạ (là bình chứa bằng chì để ngăn phóng xạ). Sau quá trình phân rã, 99Mo sẽ sinh ra Tc-99m.
Ứng dụng của Tc-99 trong Y học hạt nhân
Tc-99m được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh, là đồng vị đánh dấu mà các thiết bị y tế có thể phát hiện trong cơ thể người. Tc-99m thích hợp do bức xạ tia gama có thể phát hiện được ở ngưỡng 140 keV và chu kỳ bán rã là 6,01 giờ (nghĩa là khoảng 87,5% khối lượng của Tc-99m bị phân rã thành Tc-99 trong 24 giờ). Cuốn Technetium của Klaus Schwochau liệt kê 31 dược phẩm phóng xạ dựa trên Tc-99m cho y học hạt nhân về não, cơ tim, tuyến giáp, phổi, gan, túi mật, thận, cột sống, máu và các khối u.
Tc-99m được đưa vào vào trong kháng thể nhân bản đơn (moAb hay mAb) của protein hệ miễn dịch có khả năng liên kết với các tế bào ung thư. Vài giờ sau khi tiêm, SPECT, SPECT/CT sẽ được dùng để phát hiện các tia gamma do Tc-99m phát xạ; mật độ cao chỉ ra nơi có khối u. Khi Tc-99m kết hợp với hợp chất liên kết với hồng cầu có thể sử dụng để lập bản đồ rối loạn trong hệ tuần hoàn và thường được dùng để phát hiện các chỗ bị chảy máu trong hệ tiêu hóa. Các ion pyrophốtphat với Tc-99m bám vào calci tích lũy trong cơ tim bị tổn thương để phán đoán tổn thương sau khi bị nhồi máu cơ tim. Chất keo của Tc-99m chứa lưu huỳnh được lá lách lọc sạch, nên nó được dung trong chiếu chụp cấu trúc của lá lách.
Tecnetimcho các mục đích y học hạt nhân thông thường được tách ra từ các máy sinh Tc-99m. Tc-95m với chu kỳ bán rã 61 ngày, được sử dụng như là tác nhân dò vết phóng xạ để nghiên cứu chuyển động của tecneti trong môi trường và trong động, thực vật.
Các ứng dụng chính của Tc-99m trong xạ hình hiện nay, bao gồm:
– Phát hiện và xác định vị trí của các bệnh mạch vành đối với cơn đau thắt ngực và nhồi máu cơ tim bằng xạ hình tưới máu cơ tim.
– Đánh giá tổng thể chức năng tâm thất dựa trên phân tích pha hấp thụ đầu tiên để xác định phân suất tống máu hoặc chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT) với thiết bị đo điện tâm đồ để đánh giá phân suất tống máu thất trái, tính toán diện tích nhồi máu và vùng cơ tim còn sống.
– Phát hiện ung thư vú, hỗ trợ cho việc chẩn đoán, chỉ định sau khi đã chụp nhũ ảnh nhằm đánh giá các tổn thương trên vú của những bệnh nhân có hình ảnh chụp quang tuyến vú bất thường hoặc hình ảnh không cho kết quả chính xác hoặc ở bệnh nhân có khối rắn trên vú tự cảm nhận được.
– Thăm dò vị trí của các mô tuyến cận giáp phát triển quá mức ở những bệnh nhân bị cường cận giáp nguyên phát và thứ phát do tái phát hoặc dai dẳng, ở những bệnh nhân bị cường cận giáp nguyên phát cần phẫu thuật tuyến cận giáp lần đầu tiên.
Theo đánh giá của Tổ chức Coherent Market Insights, thị trường đồng vị phóng xạ trong y học hạt nhân đạt 4.986,4 triệu đô la Mỹ trong năm 2017 và dự báo đạt mức tăng trưởng 8,9%/năm trong giai đoạn 2018 – 2026. Hiện nay, số lượng xạ hình y học hạt nhân sử dụng Tc-99m là khoảng 40 triệu ca/năm (trên 80% tổng số ca xạ hình y học hạt nhân trên toàn thế giới). Đến đầu năm 2018, lượng đồng vị Tc-99m sử dụng đạt 9.400Ci/tuần. Tầm quan trọng của Tc-99m lớn đến mức bất kỳ biến động nào về nguồn cung Tc-99m cũng sẽ tác động không nhỏ đến lĩnh vực y học hạt nhân thế giới, đặc biệt là ở những nước phát triển, gây ngừng trệ việc chẩn đoán, điều trị bệnh của người dân, nhất là các bệnh hiểm nghèo. Tuy nhiên, Tc-99m hiện chưa thể sản xuất hiệu quả nếu không sử dụng lò phản ứng hạt nhân.
Technetium Tc-99m pentetate (Draximage DTPA)
Việt Nam hiện nay có lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu tại Đà Lạt là cơ sở duy nhất sản xuất các đồng vị phóng xạ đời sống dài và trung bình với lượng khoảng 400Ci/năm. Cả nước cũng có 7 trung tâm gia tốc cyclotron đã và đang được xây dựng, với 5 trung tâm đã đi vào hoạt động trong đó 4 trung tâm đang sản xuất và cung cấp đồng vị sống ngắn phục vụ xạ hình PET/CT cho các cơ sở y tế trong cả nước. Đối với đồng vị Tc-99m cho xạ hình SPECT, SPECT/CT, hiện Việt Nam chủ yếu vẫn phải sử dụng từ nguồn nhập khẩu.
Ứng dụng của Tc-99 trong công nghiệp/Hóa chất
Tc-99 phân rã gần như hoàn toàn bằng phân rã beta, bức xạ ra các hạt beta với năng lượng thấp, ổn định và không kèm theo tia gamma. Ngoài ra, chu kỳ bán rã dài của Tc-99 làm bức xạ này giảm rất chậm theo thời gian. Nó cũng có thể được chiết tách thành dạng có độ tinh khiết hóa học và đồng vị cao từ các chất thải phóng xạ. Vì lý do này, Tc-99 là nguồn bức xạ beta tiêu chuẩn, được dùng trong các thiết bị định cỡ. Tc99 cũng được đề xuất sử dụng trong các pin hạt nhân quang điện và thang độ nano. Giống như rheni và paladi, tecneti có thể dùng làm chất xúc tác. Đối với một số phản ứng nhất định, chẳng hạn khử hydro trong rượu isopropyl, có hiệu quả cao hơn cả rheni lẫn paladi.
Trong một số điều kiện nhất định, nồng độ nhỏ (cỡ 5×10−5 mol/L) ion pertecnetat trong nước có thể bảo vệ sắt và thép cacbon không bị ăn mòn. Vì lý do này, pertecnetat có thể được sử dụng như là chất ức chế ăn mòn anôt cho thép, mặc dù tính phóng xạ của tecneti gây ra các vấn đề ứng dụng hóa chất. CrO42- có thể gây ức chế nhưng cần nồng độ cao gấp 10 lần. Cơ chế mà pertecnetat ngăn chặn ăn mòn vẫn chưa được hiểu rõ, nhưng dường như chất này tham gia vào quá trình hình thành thuận nghịch lớp mỏng trên bề mặt. Giả thuyết cho rằng pertecnetat phản ứng với bề mặt thép tạo ra lớp oxide tecneti có tác dụng ngăn ngừa ăn mòn; hiệu ứng tương tự cũng giải thích tại sao bột sắt lại có thể sử dụng để loại bỏ pertecnetat từ nước. Hiệu ứng biến mất rất nhanh nếu nồng độ của pertecnetat thấp hơn nồng độ tối thiểu hay quá cao của các ion khác được thêm vào.
Từ khóa: Tc-99m; y học hạt nhân; xạ hình; SPECT; SPECT/CT;
– CMD&DND –
