Une première partie de mes études a concerné le développement du processus d‘extraction et de purification, tout d‘abord sur de petites cibles puis sur des cibles de plus grandes activités. L‘étude du procédé de recyclage du matériau enrichi servant aux cibles a également été abordée. La haute énergie et intensité du cyclotron Arronax [21], permet de produire le 44Sc à partir de cible de carbonates de calcium (CaCO3) enrichie en 44Ca. Les cibles de CaCO3 sont composées ainsi: 40Ca (3%) 42Ca (0.05%) 43Ca (0.03%), 44Ca (96.9%) et 48Ca (0.02%). Deux voies de production sont possibles en utilisant des protons ou des deutons comme projectile, de point de vue de la section efficace l‘utilisation de deutons comme projectile donne un rapport 44mSc/44Sc plus élevé par rapport aux protons pour des énergies simultanées.
38
Les premières productions de 44m/44Sc ont été réalisées en utilisant des petites cibles de CaCO3 enrichies en 44Ca, le produit final est ensuite utilisé pour des études de radiomarquage avec des ligands innovants. Un protocole ensuite a été optimisé et validé dans le but de produire des quantités plus importantes de 44m/44Sc à partir de grandes cibles de 44CaCO3 et avec des activités spécifiques élevées, pour permettre de réaliser des études in vivo : biodistribution et imagerie TEP.
II.1.Production du
44mSc /
44Sc à partir de petites cibles de CaCO
3La cible est constituée de 100 mg de 44CaCO3 pressée sous 5000 tonnes pour former une pastille de 10 mm de diamètre et 470 µm d'épaisseur. Pour éviter la contamination de la poudre 44CaCO3 pendant l'irradiation, chaque cible est placée à l'intérieur d'un anneau ayant une feuille de Kapton de 75 µm d'épaisseur sur les faces de la pastille. Pour la production, nous avons choisi d'utiliser une énergie de faisceau de 16 MeV en deutons. Compte tenu de la perte d'énergie dans les feuilles de Kapton et dans l'air, le deutérium incident atteint la cible avec une énergie de 14,92 MeV et une énergie de sortie de 7,5 MeV. Une fois l'irradiation terminée, l'étape suivante consiste en l'extraction et la purification du 44m/44Sc. En effet, les batchs du 44m/44Sc peuvent contenir des impuretés métalliques.
Le traitement des cibles est un point important, en effet selon sa production, le radio- isotope peut être obtenu sous forme pure ou sous forme de mélange d'isotopes, notamment avec des isotopes stables. La séparation du radionucléide à partir des autres éléments est le plus souvent effectuée sur une colonne chromatographique. L'utilisation de ces systèmes permet d'une part de contourner les problèmes logistiques liés à la production et l'utilisation de radio-isotopes à courte demi-vie, et d'autre part, d'obtenir un radionucléide de haute pureté et donc de haute activité spécifique.
La résine DGA (figure 3), qui est une résine spécifique de cations trivalents, s‘avère plus prometteuse dans les applications analytiques pour le scandium que d'autres résines.
Figure 3 : Extractant de la résine DGA
Afin de trouver les meilleures conditions pour obtenir le 44mSc/44Sc avec une pureté élevée en utilisant une résine DGA, certaines études d'optimisation ont été réalisées. Il s‘agit en effet de déterminer les coefficients de distribution (Kd) qui représentent la capacité d'une résine
39
(DGA) d'adsorber les espèces métalliques. Ils sont déterminés par des techniques de batch pour le scandium et d'autres cations compétitifs qui peuvent provenir de la cible ou sont présents dans la station d'irradiation (Ca, Co, Cr, Ni, Zn, Fe, Cu et Al), pour diverses concentrations d'acide soit chlorhydrique ou nitrique. Les résultats obtenus nous ont permis de définir un procédé répétable et reproductible de purification du 44Sc.
Figure 4 : Protocole d‘extraction et purification du 44m/44Sc
La cible irradiée est facilement dissoute dans 10 ml d'HCl 4 M et la solution obtenue est déposée sur la colonne contenant la résine DGA préalablement conditionnée (figure 4). Ensuite, cette colonne est rincée avec 20 ml de HCl 4 M. Cette étape nous permettra de récupérer tout le 44Ca non irradié qui sera recyclé par la suite pour produire d‘autres cibles de CaCO3. Ensuite, la colonne est rincée avec 10 ml de HNO3 1 M afin d‘éliminer toutes les impuretés métalliques.
Enfin, le 44m/44Sc est élué de la résine à l'aide de 10 ml de HCl 0,1 M. Cette solution est évaporée à sec puis le 44m/44Sc est repris dans 400 µL d‘ HCl 0.1 M. De ce processus, nous avons atteint une activité produite en 44Sc de l‘ordre de 125 MBq/ml. L‘activité produite en
44m
Sc représente 2 à 3 % en activité par rapport à celle obtenue pour le 44Sc.
II.2. Générateur
44m/44Sc: vers des cibles de plus haute activité
Pour les premières études in vivo, il est nécessaire d'augmenter l'activité produite en 44Sc tout en maintenant un produit final avec une activité spécifique élevée, certains paramètres ont donc été modifiés tels que les caractéristiques de la cible de 44CaCO3 (m = 500 mg, Ø= 20 mm, épaisseur: 0,6 mm), les conditions d'irradiation (t= 3 h) ainsi que le protocole utilisé pour
44
CaCO3 +HCl4M (10 mL) 1
CO
2, 37Ar, 11C, 18F, 13N, 39K,45Ca
HCl 0,1M (10mL)
Résine DGA (Triskem)
HCl 4M (20 mL)/ HNO3 1M (10 mL) 2
44m
Sc/44Sc dans 400 µL HCl 0,1M 3
40
l'extraction et la purification du 44m/44Sc. Pour la production, une énergie de faisceau de 16,9 MeV et une intensité de 0,3 µA ont été utilisés.
Pour l'extraction/purification du scandium, nous avons d'abord utilisé le même protocole que pour le traitement de petites cibles de 44CaCO3. Toutefois il y avait des pertes significatives dans l'activité produite en 44m / 44Sc, principalement lors de l'élution du 44Sc en utilisant de l‘HCl 0,1 M. En effet, le rendement d'extraction était inférieur à 80%.
Pour améliorer le rendement d‘extraction, nous avons opté pour un autre acide: l'acide fluorhydrique (HF): La cible irradiée est facilement dissoute dans 10 ml d'HCl 4 M et la solution obtenue est déposée sur la colonne de résine DGA préalablement conditionnée (figure 4). Ensuite, cette colonne est rincée avec 20 ml d‘ HCl 4 M. Cette étape nous permet de récupérer tout le 44Ca non irradié qui sera recyclé par la suite pour produire d‘autres cibles de CaCO3. Ensuite, la colonne est rincée avec 10 ml d‘HNO3 1 M afin d‘éliminer toutes les impuretés métalliques. Et pour finir, le 44m/44Sc est élué de la résine à l'aide de 5 ml de HF à 6. 10-2 M. Cette solution est évaporée à sec puis le 44m/44Sc est repris dans 400 µL d‘HCl 0.1 M. Le rendement d‘extraction est > 90%.
De ce processus, l‘activité produite en 44
Sc, est de l‘ordre de 375 MBq / ml à la fin d‘irradiation (EOB). Le rapport 44m
Sc/44Sc obtenu expérimentalement est de 2,5%. Les impuretés métalliques les plus importantes sont le fer (0,3 ppm) et d'aluminium (1 ppm).
II.3.Recyclage des cibles de
44CaCO
3et contrôle de pureté
En raison du coût élevé de la matière première utilisée pour produire le 44m/44Sc "la poudre de CaCO3 enrichie en 44Ca" ; un protocole a été développé dans le but de récupérer le 44Ca. Ce dernier est élué de la résine DGA avec de l'HCl 4 M après irradiation. Les effluents recueillis sont évaporés à sec pour obtenir une poudre blanche contenant le 44Ca. Ensuite, cette poudre est dissoute dans 10 ml d‘HCl 0,01 M puis un tampon carbonate (NaHCO3 1 M /Na2CO3 1 M dans du méthanol à 60%) a été ajouté.
L'étape suivante consiste à filtrer le précipité formé et le laisser sécher: afin d‘obtenir la poudre de 44CaCO3 qui servira à la préparation d‘autres cibles.
Après chaque recyclage, une analyse par ICP-MS à haute résolution est réalisée afin de déterminer le taux de 44Ca dans la poudre de CaCO3 recyclée par rapport au 42Ca.
Les résultats obtenus, montrent qu'il n'y a pas de grande différence dans le rapport 42Ca/44Ca avant et après recyclage. Le taux d'enrichissement en 44Ca est peu affecté par le procédé de recyclage et aucune contamination en calcium naturel n‘a été observée.
Le travail réalisé dans cette première partie a permis de montrer que les activités volumiques moyennes générées sur ces cibles de petite taille étaient de l‘ordre de 125 MBq/mL. Le
41
rendement de cette étape d‘extraction/purification permet de récupérer 90% de l‘activité. Le passage aux cibles de plus grandes tailles a permis de débuter les premières études chez le petit animal mais cela a nécessité à nouveau une optimisation du process d‘extraction/ purification. Cependant, nous sommes parvenus à maîtriser les conditions de manière à obtenir des batchs dont la pureté radionucléidique, radiochimique et chimique était répétable et reproductible. Le rendement a été à nouveau de l‘ordre de 90%. Les activités volumiques générées sur ces cibles étaient de l‘ordre de 375 MBq/mL. Les activités spécifiques résultantes (> 50 MBq/nmol) ont ainsi permis de pouvoir réaliser les premières études précliniques.
Pour les petites cibles, comme pour les cibles de plus grandes tailles, nous avons mis en place un procédé efficace de recyclage qui permettra à long terme, de manière relativement rentable, de proposer ce générateur dans des services hospitaliers. Le procédé de recyclage est optimisé. Nous avons montré que les cibles conçues à partir du matériau recyclé génèrent la même activité et conduisent à la même activité spécifique comparativement au matériau enrichi de départ. En effet, à chaque étape, des contrôles qualités ont été réalisés permettant de s‘assurer et de maîtriser la qualité du matériau pour la préparation de nouvelles cibles.