Los radionúclidos que se emplean en la preparación de radiofármacos son de producción artificial, generados mayoritariamente en un reactor nuclear o en un ciclotrón. El tipo de radionúclidos producidos en un ciclotrón o en un reactor depende del tipo y la energía de la partícula bombardeante y del material del blanco.

Los métodos de producción implican el bombardeo de núclidos de un blanco con partículas de alta energía, que transforman los núclidos estables en radiactivos (radionúclidos).

Este proceso de transmutación nuclear se produce en dos etapas. En la primera, las partículas bombardeantes penetran y son capturadas por los núclidos del blanco, a los que transfieren su energía cinética y de enlace, generando un estado energético intermedio en los nuevos núclidos del blanco.

En la segunda etapa, uno o más nucleones pueden superar la energía de enlace nuclear y escapar. Las partículas que escapan pueden llevar toda la energía o solo la suficiente para escapar. La energía que no se llevan estas partículas se libera en forma de radiación γ desde el nuevo núclido. El tipo de partículas que escapan puede variar, pero básicamente son: protones (1H+), deuterones (2H+), neutrones (n) y partículas alfa (4He2+).

Un ciclotrón es un equipo acelerador de partículas cargadas (cationes o aniones) a las que se les transfiere alta energía, acelerándolas en órbitas circulares mediante campos electromagnéticos alternos hasta hacerlas colisionar sobre unos blancos con una consecuente reacción nuclear y producción de radionúclidos emisores de positrones. El ciclotrón fue inventado por E. O. Lawrence y M. S. Livingston en 1934 para acelerar partículas como los protones o deuterones hasta conseguir altos niveles de energía cinética.

Todo ciclotrón consta de dos electrodos en forma de cámaras semicirculares llamadas Des, en las que se hace el vacío y se montan con los diámetros perimetrales adyacentes dentro de un campo magnético uniforme. Las Des están acopladas a un sistema eléctrico de alta frecuencia que alterna alrededor de 107 veces por segundo el potencial eléctrico en cada Des durante la operación del ciclotrón.

Dentro de cada De, los iones son forzados a recorrer una trayectoria circular mediante un campo magnético alternante, de modo que, cuando los iones completan una semicircunferencia en el semiperiodo, el campo eléctrico invierte la polaridad, lo que provoca la aceleración de los iones en los campos eléctricos existentes entre las Des al mismo tiempo que aumenta el radio de su trayectoria circular. Este aumento de la aceleración conlleva un incremento de su energía cinética.

Este proceso se repite continuamente describiendo órbitas semicirculares, que se mueven en resonancia con el campo oscilante. Así ganan energía continuamente, describiendo una trayectoria en espiral hasta que alcancen la periferia de las Des con la energía necesaria para salir de ellas y colisionar contra el blanco donde tendrán lugar las reacciones nucleares.

En las reacciones nucleares, la partícula incidente puede salir del núcleo después de la interacción, dejando parte de su energía en el núcleo, o puede ser completamente absorbida por el núcleo. En cualquier caso, se genera un núcleo en un estado excitado de energía y la energía de excitación se elimina por la emisión de nucleones (es decir, protones y neutrones). Seguidamente se produce la emisión de rayos γ. Dependiendo de la energía depositada por la partícula incidente, se emite un número al azar de nucleones del blanco irradiado, lo que da lugar a la formación de diferentes nucleidos. Al incrementar la energía de la partícula irradiante, se emiten más nucleones y, por lo tanto, se produce una mayor variedad de radionúclidos. Los radionúclidos producidos en ciclotrón generalmente son deficientes en neutrones y, por lo tanto, se desintegran mediante emisión de β+ o por captura de electrones.

Radionúclidos de interés en medicina nuclear producidos en ciclotrón:

  • Flúor-18: 18F
  • Carbono-11: 11C
  • Nitrógeno-13: 13N
  • Oxígeno-15: 15O
  • Galio-68: 68Ga
  • Escandio-44: 44Sc
  • Circonio-89: 89Zr
  • Yodo-124: 124I

La producción de radionúclidos de interés en medicina nuclear, generados en reactores nucleares, se basa en dos tipos de reacciones nucleares por interacción con neutrones: la captura de neutrones y la fisión de elementos pesados.

En la captura de neutrones, el núcleo del blanco captura un neutrón térmico y emite rayos γ para producir un isótopo del mismo elemento que los núclidos del blanco. Algunos ejemplos de radionúclidos producidos por esta reacción son: 131Te, 99Mo, 197Hg, 59Fe, 51Cr, etc.

En la fisión de elementos pesados se produce la ruptura de un núclido pesado en dos fragmentos aproximadamente de la misma masa, acompañada por la emisión de dos o tres neutrones. En cada fisión se produce una liberación de energía importante que es extraída mediante intercambiadores de calor para producir electricidad en plantas de energía nuclear. Cuando un blanco de elementos pesados fisibles se inserta en el núcleo del reactor, los núclidos pesados absorben neutrones térmicos y sufren la llamada fisión. Algunos de los elementos pesados fisionables con un número atómico superior a 90 son: 235U, 239Pu, 237Np, 233U, 232To. Por otro lado, muchos radionúclidos clínicamente útiles, como 131I, 99Mo, 133Xe y 137Cs, se obtienen por fisión de 235U.