Els radionúclids que s’utilitzen en la preparació de radiofàrmacs són de producció artificial, majoritàriament generats en un reactor nuclear o en un ciclotró. La tipologia de radionúclids produïts en un ciclotró o en un reactor depèn del tipus i l’energia de la partícula bombardejant i del material del blanc.

Els mètodes de producció impliquen el bombardeig de núclids d’un blanc amb partícules d’alta energia, que transformen els núclids estables en radioactius (radionúclids).

Aquest procés de transmutació nuclear es produeix en dos etapes. En la primera, les partícules bombardejants penetren i són capturades pels núclids del blanc, a la que transfereixen la seva energia cinètica i d’enllaç, generant un estat energètic intermig en els nous núclids del blanc.

En la segona etapa, un o més nucleons poden superar l’energia d’enllaç nuclear i escapar. Les partícules que s’escapen poden arrossegar tota l’energia o únicament la justa per escapar. L’energia que no s’emporten aquestes partícules, s’allibera en forma de radiació i des del nou núclid. El tipus de partícules que es poden escapar varien, però bàsicament són: protons (1H+), deuterons (2H+), neutrons (n) i partícules alfa (4He2+).

Els radionúclids produïts en ciclotró es caracteritzen per una manca de neutrons, de manera que la seva estabilitat nuclear s’assoleix per captura electrònica o per emissió de positrons.

Un ciclotró és un equipament accelerador de partícules carregades (cations o anions) a les que s’hi transfereix alta energia, accelerant-les en òrbites circulars mitjançant camps electromagnètics alterns, fins que se les fa col·lisionar sobre uns blancs amb una conseqüent reacció nuclear i producció de radionúclids emissors de positrons. El ciclotró va ser inventat per E.O.Lawrence i M.S.Livingston el 1934 amb l’objectiu d’accelerar partícules com protons o deuterons i aconseguir alts nivells d’energia cinètica.

Tot ciclotró consta de dos elèctrodes en forma de cambres semicirculars anomenades “D” en les que es produeix el buit i es configuren amb els diàmetres perimetrals adjacents dins un camp magnètic uniforme. Les Des estan acoplades a un sistema elèctric d’alta freqüència que alterna al voltant de 107 vegades per segon, el potencial elèctric en cada D durant l’operació del ciclotró.

Dins de cada D els ions són forçats a recórrer una trajectòria circular mitjançant un camp magnètic alternant. De manera que quan els ions completen una semicircunferència en el semiperíode, el camp elèctric inverteix la polaritat provocant l’acceleració dels ions en els camps elèctrics existents entre les D al mateix temps que augmenta el radi de la seva trajectòria circular. L’augment de l’acceleració comporta un increment d’energia cinètica.

Aquest procés es repeteix contínuament descrivint orbites semicirculars, que es mouen en ressonància amb el camp oscil·lant. Així guanyen contínuament energia, descrivint una trajectòria en espiral fins que arriba a la perifèria de les D amb l’energia necessària per a sortir d’elles i col·lisionar amb el blanc on tindran lloc les reaccions nuclears.

En les reaccions nuclears, la partícula incident pot sortir del nucli després de la interacció, deixant part de la seva energia al nucli, o pot ser completament absorbida pel nucli. En tots els casos es genera un nucli amb un estat d’energia excitat i l’energia d’excitació s’elimina per l’emissió de nucleons (és a dir, protons i neutrons). Seguidament es produeix una emissió de rajos γ. En funció de l’energia dipositada per la partícula incident, s’emeten un numero a l’atzar de nucleons del blanc irradiat que porta a la formació de diferents nucleids. A l’incrementar l’energia de la partícula irradiant, s’emeten més nucleons i per tant es generen una major varietat de radionúclids. Els radionúclids produïts en ciclotró generalment són deficients en neutrons i per tant es desintegren mitjançant l’emissió de β+ o per captura d’electrons.

Radionúclids d’interès en medicina nuclear produïts en ciclotró:

  • Fluor-18: 18F
  • Carboni-11: 11C
  • Nitrogen-13: 13N
  • Oxigen-15: 15O
  • Gal·li-68: 68Ga
  • Escandi-44: 44Sc
  • Zirconi-89: 89Zr
  • Iode-124: 124I

La producció de radionúclids d’interès en medicina nuclear generats en reactors nuclears, es basa en dos tipus de reaccions nuclears per interacció amb neutrons: la captura de neutrons i la fissió d’elements pesats.

En la captura de neutrons, el nucli del blanc captura un neutró tèrmic, emetent rajos γ per a produir un isòtop del mateix element que els núclids del blanc. Alguns exemples de radionúclids produïts per aquesta reacció són el 131Te, 99Mo, 197Hg, 59Fe, 51Cr, etc.

En la fissió d’elements pesats es produeix una ruptura d’un núclid pesat en dos fragments aproximadament de la mateixa massa, acompanyada per la emissió de dos o tres neutrons. En cada fissió es produeix una alliberació d’energia important que és extreta via intercanviadors de calor per a produir electricitat en plantes d’energia nuclear. Quan un blanc d’elements pesats fissibles s’inserta en el nucli del reactor, els núclids pesats absorbeixen neutrons tèrmics i pateixen l’anomenada fissió. Alguns dels elements pesats fisionables amb número atòmic superior a 90: 235U, 239Pu, 237Np, 233U 232To. Per altre costat molts radionúclids clínicament útils com són el 131I, 99Mo 133Xe i 137Cs s’obtenen per fissió del 235U.