title: Untersuchung kationenselektiver Extraktionssäulen zur Konzeption nuklearmedizinischer Radionuklidgeneratoren
title: Research on cation selective extraction columns for the development of nuclear medical radionuclide generators
Creators: name: Streng, Roman
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Chemie
Kationenaustauscher
Radionuclide-generator
Säulenchromatographie
Nuklearmedizin
Yttrium-90
Cation-exchange-columns

description: The topic of the present work is
      the conception of a Yttrium-90 radionuclide generator for
      nuclear medicine applications. Due to its physical properties
      Y-90 is considered as one of the most useful nuclides for
      radiotherapeutic cancer treatment. The parent nuclide
      Strontium-90 is gained during reprocessing of fission
      products. Thus, the sustained availability of large
      quantities of Y-90 is limited to a number of research
      facilities. A radionuclide generator provides an independent
      Y-90 source and enhances the capacities for
      radiopharmaceutical research and biomedical applications. The
      present work focussed on the identification of appropriate
      column materials for the separation of Strontium and Yttrium.
      The results for two materials are reported: AnaLig® Sr-01 and
      crystalline antimonic acid. Based on the mode of operation of
      the Technetium-99m generator the aim was to enable the
      construction of a compact, enclosed apparatus. The projected
      device comprises a reservoir for the eluant, the ion-exchange
      column, pipings and radiation shielding. Elution of Y-90
      could then be easily performed by connecting evacuated vials
      to the outlet tube. The prospected concept involves physical
      and chemical confinements that exclude most of the known
      processes for Strontium-Yttrium separation. For example no
      ligands, no oxidizing reactants (e.g. nitric acid) and no
      organic solvents are to be used, but small volumes of
      isotonic or buffer solutions and dilute acids respectively.
      AnaLig® Sr-01 is a commercially available resin used in
      extraction chromatography. Its high selectivity for Strontium
      cations results from the strictly defined cavity of the
      imbedded cryptand. Determination of weight distribution
      coefficients, elution studies and pre-generator experiments
      were carried out. Quantitative separation of Yttrium from
      Strontium and Zirconium is possible using small volumes of
      0,05 M hydrochloric acid as eluant. Furthermore, high flow
      rates were achieved. The low acid concentration of the eluate
      is advantageous for its further processing with biomolecules.
      In a pre-generator experiment a small Strontium breakthrough
      was observed. However, the required separation factors of 106
      can be achieved by combining two columns in a row. All
      obtained results indicate AnaLig® Sr-01 to be the optimum
      choice as a column material in a Sr/Y-90 generator. As no
      strong radiation source was available the effect of high
      doses on the material could not be examined. The activities
      needed for therapeutic purposes exceeding those of diagnostic
      applications by several orders of magnitude all materials in
      an Y-90 generator have to sustain high radiation doses. Thus,
      radiation stability is the crucial aspect of a prospected
      column material. Due to its complex structure of covalent
      bonds AnaLig® Sr-01 is to be estimated as extremely
      susceptible to radiation damage. Utilization of AnaLig® Sr-01
      would imply deviating from the initial concept. If Sr-90 is
      removed from the column and stored in a reservoir after each
      elution of Y-90 the exposure time of the resin would be
      minimized. In this case the system would require additional
      reservoirs, branched tubings, radioactive waste containers
      and peristaltic pumps. However, implementation of the
      radionuclide generator as an enclosed, low-maintenace
      apparatus is hardly feasible. Since inorganic materials
      exhibit much higher radiolytic stability than organic
      extractants, further investigations concentrated on an
      inorganic ion exchanger. Crystalline antimonic acid is well
      known for its high selectivity and capacity for Strontium
      cations. Crystalline antimonic acid was prepared through
      hydrolysis of antimony pentachloride and further treatment of
      the precipitate. Using radioactive Antimony-125 as an
      internal standard enables non-destructive analysis of
      chemical characteristics such as solubility and column
      bleeding. As in the case of AnaLig® Sr-01, hydrochloric acid
      was chosen as eluant. In batch experiments 1 M hydrochloric
      acid was determined as appropriate eluant: Under these
      conditions the adsorption of Strontium and Zirconium on
      crystalline antimonic acid is quantitative while Yttrium is
      very slightly adsorbed and can be eluted. However,
      transfering the results from batch experiments to column
      studies was not possible: periodic elution of a column loaded
      with Sr-90/Y-90 results in less than 1% of the expected yield
      of Y-90. This discrepancy was assumed to be caused by changes
      in crystal structure due to the continuous contact with the
      eluant. For example, the loss of water of crystallization
      would result in a contraction of the cavities obstracting the
      mobility of smaller cations. To further investigate possible
      aging processes different samples of crystalline antimonic
      acid were prepared through suspension and re-crystallization
      respectively. The comparison of X-ray data and weight
      distribution coefficients of the samples was expected to
      faciliate correlation between water content and ion exchange
      behavior. The changes in lattice parameters and cation
      selectivity caused by different kinds of treatment are
      contradictory, though. In addition to aging processes another
      possible influence was discussed: in batch experiments
      solvated Yttrium cations were brought into contact with
      crystalline antimonic acid whereas in the column experiment
      Y-90 ions originate from the decay of Sr-90 nuclei trapped
      within the lattice. However, according to ion exchange theory
      no such deviance should arise from different initial
      conditions. Because of its unsteady ion exchange properties
      in elution studies the use of crystalline antimonic acid in
      an Y-90 generator is not possible.
description: Im Rahmen dieser Arbeit wurden das
      kommerziell erhältliche AnaLig® Sr-01 sowie selbst
      hergestellte kristalline Antimonsäure untersucht, mit dem
      Ziel Ionenaustauschersäulen für einen nuklearmedizinischen
      Yttrium-90-Generator zu konzipieren. Die Zahl der in Frage
      kommenden Ionenaustauschermaterialien war dadurch
      eingeschränkt, dass sich das in dieser Arbeit verfolgte
      Konzept stark am Modell des Technetium-99m-Generators
      orientierte. Das bedeutet, die Untersuchungen zielten darauf
      ab, die Konstruktion eines kompakten, wartungsfreien,
      geschlossenen Systems zu ermöglichen, bestehend aus einem
      Reservoir für das Elutionsmittel, der Ionenaustauschersäule,
      den Leitungsverbindungen und der Abschirmung. Zur Elution
      wäre dann lediglich das Anschließen von evakuierten
      Probenbehältern an das Gerät nötig. Der entscheidende
      Unterschied liegt darin, dass die Aktivitäten, die im
      Yttrium-90-Generator verwendet werden müssen, diejenigen
      eines Technetium-Generators um mehrere Größenordung
      übersteigen. Hinzu kommt, dass der Technetium-99m-Generator
      aufgrund der geringen Halbwertzeit des Molybdän-99 nur für
      eine Nutzungsdauer von 8 Tagen ausgelegt sein muss. Die im
      Fall des Yttrium-90-Generators zu erwartenden Dosen stellen
      hohe Ansprüche an die Belastbarkeit aller Materialien,
      insbesondere des Ionenaustauschers. Dadurch wird die
      Radiolysestabilität zu einem bedeutenden Faktor für die
      Eignung eines Ionenaustauschers. Das strontiumselektive
      AnaLig® Sr-01 lieferte in allen untersuchten Punkten
      hervorragende Ergebnisse und erscheint daher als ideales
      Säulenmaterial für die Verwendung in einem
      Yttrium-90-Generator. In Säulenexperimenten gelang die
      quantitative Elution von Yttrium mit 0,05 M Salzsäure,
      während Strontium und Zirkonium vollständig adsorbiert
      blieben. Sowohl das geringe Volumen als auch die niedrige
      Säurekonzentration des Yttrium 90-Eluats begünstigen seine
      Weiterverarbeitung zu radiopharmazeutischen Produkten. Im
      Generatorvorversuch wurde zwar nach 8 Elutionen ein geringer
      Strontium-Durchbruch festgestellt. Der für die
      Strontium/Yttrium-90-Trennung geforderte Trennfaktor von 106
      ließe sich aber durch zwei hintereinander geschaltete Säulen
      erreichen. Die Gefahr einer Zersetzung durch radiolytische
      Einflüsse ist aufgrund seiner komplexen, kovalenten
      Bindungsstruktur als sehr hoch einzustufen. Daher müsste bei
      Verwendung des AnaLig® Sr-01 in einem Yttrium-90-Generator
      vom ursprünglichen Konzept abgewichen werden. Dies würde
      bedeuten, die Strontium-90-Lösung nur für die
      Yttrium-90-Abtrennung auf die Säule zu geben und anschließend
      wieder in einem Reservoir zwischenzulagern. Zur Umsetzung
      wäre zusätzlich zum präferierten Aufbau ein System aus
      Reservoirs, Leitungsverzweigungen, Auffangbehältnissen für
      wässrige, radioaktive Abfälle und peristaltischen Pumpen
      erforderlich. In einer geschlossenen, wartungsarmen Apparatur
      mit geringer Kontaminationsgefahr ist dies kaum zu
      realisieren. Aus diesem Grund konzentrierten sich die
      weiteren Untersuchungen auf die kristalline Antimonsäure.
      Anorganische Ionenaustauscher weisen eine sehr viel höhere
      Radiolysebeständigkeit auf als organische
      Extraktionsmaterialien. Die in dieser Arbeit untersuchte
      kristalline Antimonsäure wurde selbst hergestellt. Die
      Verwendung des radioaktiven Antimon-125 als interner Standard
      ermöglichte dabei die Bestimmung der Löslichkeit unter
      Elutionsbedingungen. Wie im Fall des AnaLig® Sr-01 wurde
      verdünnte Salzsäure als Elutionsmittel gewählt. In 1 M
      Salzsäure zeigt die Antimonsäure ein hohes
      Adsorptionsvermögen für Strontium und Zirkonium, während
      Yttrium nur zu einem sehr geringen Teil adsorbiert wird.
      Diese im batch-Verfahren bestimmten Bedingungen ließen sich
      nicht auf Säulenexperimente übertragen: Bei der Elution einer
      mit Strontium-90 beladenen Säule im Generatorvorversuch
      wurden nur minimale Yttrium-90-Ausbeuten erzielt. Die
      Ursachen hierfür, die in einer Veränderung der
      Kristallstruktur vermutet wurden, ließen sich durch Vergleich
      von Röntgenstrukturdaten und Kationenselektivitäten
      verschiedener Antimonsäureproben nicht zweifelsfrei
      ermitteln. Aufgrund der instabilen
      Ionenaustauschereigenschaften im Elutionsversuch ist die
      Verwendung der kristallinen Antimonsäure im
      Yttrium-90-Generator in dieser Form nicht möglich.