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ORNL开发3D打印不锈钢靶材以生产医用同位素

3D虎 中字

3D打印越来越多地用于制造各种最终用途产品,但它也可以帮助研究人员实现最终目标。一个很好的例子就是最近的一个项目,田纳西州的橡树岭国家实验室(ORNL)由美国能源部(DOE)运营,并且已经负责许多3D打印创新,通过提供研究和开发工作来帮助他们。

ORNL开发3D打印不锈钢靶材以生产医用同位素

上次在美国制造的短寿命衰变产物锝-99m(Tc-99m)的母体放射性同位素钼-99(Mo-99)是在20世纪80年代后期……直到现在。Tc-99m以心脏核压力测试中的血流成像而闻名,是医学诊断成像中使用最多的放射性同位素。

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今年冬天,FDA批准了国内生产的第一批Mo-99,不使用高浓缩铀(HEU)。近十年来,美国能源部的国家核安全局(NNSA)一直努力使Mo-99不使用高浓铀。

“我们希望以全成本回收的价格为美国这里的钼-99的商业生产做准备。我们很高兴能够协助不使用高浓缩铀的工作。”负责ORNL Mo-99研究的Chris Bryan说。

据国家核安全局称,Mo-99每天在美国使用超过4万种医疗程序,但100%由外国供应商提供,其中大部分使用高浓铀。为了减少美国对其他国家的依赖程度,它为包括阿贡国家实验室、ORNL、洛斯阿拉莫斯国家实验室和萨凡纳河国家实验室在内的几个美国能源部实验室提供非专有国家技术支持资金。

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Tc-99m在6小时内失效,而Mo-99在66小时后保持稍久。对于那些不希望长时间暴露在辐射下的患者来说,这种快速衰减是很好的,但不能储存Tc-99m的制造商在它变得太弱而不能产生高对比度图像之前就被迫提供。在这种情况下,放射药剂师使用一种装置,该装置通过装载有Mo-99的树脂运行溶液,然后释放Tc-99m,直接在诊所和医院提供。

位于威斯康星州的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HEU的研发项目。

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“NorthStar和其他合作协议持有者在国家实验室的国家核安全局支持的技术开发中获益匪浅。ORNL的这项工作体现了合作的价值,并将使我们的工艺在使用富钼靶材方面更加高效。”NorthStar高级副总裁兼首席科学官James T. Harvey说。

NorthStar通过采用稳定的钼靶材料的中子俘获工艺生产Mo-99。这与SHINE的项目类似,因为它使用加速器,但因为不涉及铀而有所不同。相反,一个电子加速器轰击一个富含Mo-100的目标六天,这将产生强烈的γ射线,从混合物中击中一个中子,产生Mo-99。氦气在系统中流动以去除热量,因此用于制造靶材的材料需要足够坚韧以承受应力,但仍然很轻,因此可以快速溶解,以便回收同位素。

唯一的问题是,浓缩的Mo-100不便宜。ORNL制定了初始目标,一张只有半美元大小的原始材料仍需花费数千美元。另外,撞击加速器中的电子转化率不到Mo-100的10%,这意味着NorthStar必须恢复并回收剩余的电子。

ORNL的Rick Lowden是一位负责开发目标材料和制造技术的冶金学家,他解释说:“每次处理粉末时,将其磨碎、筛分、喷涂等等。目标是零浪费。”

ORNL开发3D打印不锈钢靶材以生产医用同位素

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,生产出坚固且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以模拟NorthStar加速器内部的条件时,由于材料上的不均匀加热,它们出现扭曲。

与ORNL材料科学家Jim Kiggans、Bryan和Lowden一起工作时,他们决定通过3D打印盘片上的目标组件来解决很多问题,其中包括由于加速器部件的设计,盘的直径和厚度必须改变。

Bryan解释说,“这是一个激动人心的目标。”

ORNL与洛斯阿拉莫斯的设计师合作,负责加速器系统,并使用不锈钢材料3D打印代表性形状和组件。这些物质被送到阿贡的化学家那里,以便它们能够溶解在目前正在开发的工艺中以回收未转化的Mo-100。这个过程是可持续的,因为再循环的沉淀物被返回到ORNL中,因此它可以被加工成用于下一次组装的3D打印原料。

Lowden说:“现在整个过程只有四个步骤,而不是几十个。”

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由于钼具有2600°C的高熔点,ORNL在Renishaw激光熔化系统中安装了一个特殊的400瓦激光器,雷尼绍还构建了一个缩小体积的盘片,可以容纳较少量的Mo-100以节省成本。ORNL还安装了一个15,000瓦的等离子体系统,该系统可以通过喷雾干燥钼团聚物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。

ORNL的研究人员现在将重点描述目标组件的材料特性。

“90%的3D打印钼没有太多数据。我们基本上正在开辟新的道路,特别是对于这样一个独特的应用。”Lowden说。

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