DE19815568A1 - Verfahren zur elektrolytischen Erzeugung von radioaktiven Ruthenium-Schichten auf einem Träger sowie radioaktive Ruthenium-Strahlenquellen - Google Patents

Verfahren zur elektrolytischen Erzeugung von radioaktiven Ruthenium-Schichten auf einem Träger sowie radioaktive Ruthenium-Strahlenquellen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Erzeugung von radioaktiven Ruthenium-Schichten hoher Aktivität, das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf einem ausgewählten Träger ein Mehrschichtsystem aus Metallen und/oder Legierungen galvanisch aufgebracht wird, wobei mindestens eine Schicht radioaktives Ruthenium enthält und die notwendige mechanische Stabilität des Mehrschichtsystems erreicht wird, die für die Anwendung als radioaktive Strahlenquelle einer bestimmten Geometrie erforderlich ist. DOLLAR A Gegenstand der Erfindung sind auch radioaktive Ruthenium-Strahlenquellen, die aus den Ruthenium-beschichteten Trägern durch Aufbringen einer Umschließung hergestellt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolyti­ schen Erzeugung von radioaktiven Ruthenium-Schichten hoher Aktivität auf einem Träger. Gegenstand der Erfindung sind auch radioaktive Ruthenium-Strahlen­ quellen, die aus den Ruthenium-beschichteten Trägern hergestellt sind.
Die galvanische Abscheidung nicht radioaktiver Rutheniumüberzüge auf verschiedenen Substraten ist aus der Literatur gut bekannt. Es werden für diesen Zweck verschiedene Elektrolyten mit den unterschiedlichsten Zusätzen beschrieben. Dabei geht es um die Abscheidung gut haftender, ausreichend dicker und trotzdem glänzender und rissfreier Überzüge.
So wird beispielsweise in TIMF 47 (1969) 5, S. 187-193 in dem Artikel von G. S. Reddy et al. "Electrodeposition of Ruthenium" der anionische Ruthenium-Komplex (NH4)3[Ru2NCl8(H2O)2] als Elektrolyt beschrieben, mit dem stabile Bäder und glänzende Ruthenium-Überzüge erhalten werden.
DE-OS 22 61 944 kommt zu dem Schluß, daß die mit derartigen Bädern hergestellten Überzüge nur bis zu einer Dicke von etwa 2-3 µm glänzend sind und daß mit zunehmender Dicke Oberflächenrisse auftreten. In diesem Dokument wird deshalb ein modifiziertes galvanisches Bad vorgeschlagen, mit dem 5 µm dicke Ruthenium- Schichten erhalten werden sollen. Das Bad enthält ebenfalls eine komplexe Ruthenium-Verbindung mit der Stickstoffbrücke Ru-N-Ru (hergestellt aus dem o. g. Elektrolyten), ist aber halogenfrei, enthält mindestens 1,5 g/l Sulphationen und hat einen pH-Wert von höchstens 4.
Da allerdings die elektrolytische Abscheidung von Ruthenium auf Kupfer, Nickel oder Nickel-Eisen- Legierungen unter sauren Bedingungen für Anwendungen in der Elektrotechnik nicht befriedigend verläuft und das Substrat deshalb zunächst mit einer dünnen Schicht aus Gold oder einem anderen geeigneten Material überzogen werden muß, werden in einigen Dokumenten des Standes der Technik auch alkalische oder neutrale Bäder mit komplexen Ruthenium-Verbindungen, die eine Ru-N-Ru- Stickstoffbrücke enthalten, beschrieben, so z. B. in GB 1520140 von 1978 (alkalisch) und in EP 0 018 165 von 1980 (Zusatz von Oxalsäure, pH-Wert 7, Membranzelle).
Zur Abscheidung radioaktiver Ruthenium-Schichten ist aus der Literatur relativ wenig bekannt. Lediglich in "Isotopenpraxis", 2. Jahrgang, Heft 4 (1966), Seiten 189-193 wird eine solche Abscheidung aus stark verdünnten, inaktiven Ruthenium(III)chlorid-Lösungen unter Zusatz von 30-70 µCi 106Ru als Tracer durchgeführt.
Allerdings zeigte sich bei der dort beschriebenen Abscheidung, daß keine mechanisch stabilen Schichten von nennenswerter Dicke erhalten werden können und daß eine gleichmäßige Aktivitätsverteilung auf den Präpa­ raten nur bei sehr langsamer Abscheidung zu erzielen ist. Für medizinische Anwendungen können derartige Quellen nicht eingesetzt werden.
Am Markt befindliche Ruthenium-Strahlenquellen für die Ophthalmologie werden durch elektrolytische Abscheidung des Rutheniums aus kommerziell erhältlichen radio­ aktiven Ruthenium(III)chlorid-Lösungen hergestellt. Die hierbei erhaltenen dünnen Schichten mit Dosisleistungen von 0,1 bis 0,5 Gy/min. reichen für die Anwendung der Strahlenquelle als Augenapplikator in der Tumorbe­ handlung des Auges aus. Zur Behandlung von Gefäßano­ malien kann mit diesen Strahlenquellen jedoch nicht die nötige Dosisleitung erzielt werden.
Aufgabe der Erfindung war es deshalb, radioaktive Ruthenium-Strahlenquellen für medizinische Anwendungen bereitzustellen, die eine höhere Dosisleitung aufweisen als die bekannten, die vorzugsweise eine Draht- oder Rohrform aufweisen und die die nötige Flexibilität besitzen, um beispielsweise bei der intravasculären Behandlung von z. B. Gefäßanomalien eingesetzt werden zu können. Da z. B. Aderverschlüsse bis zu 5 cm lang sein können, ist es erforderlich, Quellen mit einer angepaßten Geometrie bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die elektrolytische Herstellung von mehrfach beschichteten Ruthenium-Aktivitätsträgern gemäß der Ansprüche gelöst.
Es wird auf einen leitfähigen Träger ein Mehr­ schichtsystem aus Metallen und/oder Legierungen galvanisch aufgebracht, wobei mindestens eine Schicht radioaktives Ruthenium enthält. Es wurde damit ein vorteilhaftes Verfahren gefunden, mit dem ausreichend dicke, gut haftende, rissfreie, homogene und flexible radioaktive Ruthenium-Schichten auf einen Träger aufgebracht werden können und die notwendige mechanische Stabilität erreicht wird, die für eine Anwendung als radioaktive Strahlenquelle einer bestimmten Geometrie erforderlich ist. Es hat sich gezeigt, daß die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Beschichtung auch auf flexiblen Trägern trotz anwendungstypischer Biegebelastung in Strahlenquellen optisch rißfrei bleibt.
Die Dicke der radioaktiven Ruthenium-Schicht beträgt bis zu 10 µm, wobei diese Dicke die Summe aller Schichten, die radioaktives Ruthenium enthalten, ist. Die Aktivität der Gesamtruthenium-Schicht beträgt bis zu 1,5 mCi/mm2. Die aus diesen mehrfach beschichteten Ruthenium-Aktivitätsträgern hergestellten Ruthenium- Strahlenquellen besitzen eine Dosisleistung von bis zu 2,5 Gy pro min in Wasser.
Für das galvanische radioaktive Rutheniumbad wird erfindungsgemäß der anionische Ruthenium-Komplex [Ru2NCl8(H2O)2]3- (RuNC) eingesetzt, wobei die Kationen Ammonium- oder Kaliumionen sein können. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dem Elektrolyten Sulfo­ propylpyridin (PPS) zuzusetzen, vorzugsweise in einer Menge von 1 bis 10 mg pro ml Elektrolyt. Die Her­ stellung des Elektrolyten RuNC erfolgt in einem Schritt durch Hydrolyse von Ruthenium(III)chlorid-Lösung, die für die Zwecke der Erfindung mindestens 3 Ci/g Ruthenium enthält, in einem Überschuß von Amidosulfonsäure. Diese Herstellung ist im wesentlichen aus der Literatur bekannt. Unter den vorliegenden aktiven Bedingungen wird das Kochen unter Rückfluß durch ein Temperieren auf ca. 90°C ersetzt. Der so erhaltene Elektrolyt ist ohne weitere Schritte einsatzfähig. Damit kann die Präparation direkt in der für das erfindungsgemäße Verfahren entwickelten Elektrolysezelle durchgeführt werden.
Als Metalle können zwischen den einzelnen Rutheniumschichten Gold, Nickel, Titan oder deren Legierungen abgeschieden werden. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, nicht alle Zwischenschichten aus demselben Metall herzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Zwischenschichten aus Gold erzeugt, wobei kommerziell erhältliche galvanische Goldbäder der Fa. Degussa verwendet werden können. So hat sich gezeigt, daß es vorteilhaft ist, für die erste Goldschicht auf dem Träger, die als Haftvermittler zwischen dem Träger und der ersten Ruthenium-Schicht dient, den Elektrolyten "Auruna® 311" zu wählen und für die Zwischenschichten den Elektrolyten "Auruna® 533".
Als metallische Träger, die gleichzeitig als Kathode dienen, kommen erfindungsgemäß Messing, Kupfer, legierte Stähle, Nickel, Titan und deren Legierungen, Silber, Gold und Platinmetalle in Frage. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, oberflächenmodifizierte Polymere als Träger einzusetzen. Der Träger kann jede beliebige Gestalt oder Form haben, vorzugsweise wird ein Draht oder ein Rohr eingesetzt.
Eine wesentliche Bedeutung für die Haftfestigkeit des erfindungsgemäßen mehrschichtigen Überzuges hat die Vorbehandlung des verwendeten Trägers. Dieser muß entfettet werden, und es müssen eventuell vorhandene Oxidschichten und gegebenenfalls festhaftende Partikel entfernt werden. Im Falle der Verwendung von Nitinol als Träger hat sich ein abschließendes Beizen mit einem Gemisch aus Fluorsäure und Salzsäure als vorteilhaft erwiesen.
Die erfindungsgemäße elektrolytische Abscheidung der Rutheniumschichten verläuft unter Einhaltung der folgenden Betriebsparameter: Die Rutheniumkonzentration beträgt am Anfang der Elektrolyse typischer Weise 5 g/l und kann durch Verarmung an Ruthenium bis auf 0,2 g/l absinken.
Es wird bei Stromdichten zwischen 0,25-0,35 A/dm2 gearbeitet. Die Temperatur sollte zwischen 60-75°C, vorzugsweise 70°C, betragen, der pH-Wert muß zwischen 1,3-1,8 gehalten werden. Die Rutheniumkonzentration und der pH-Wert werden in regelmäßigen Abständen kontrolliert und eingestellt.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine spezielle Elektrolysezelle zur Präparation des Elektrolyten und zur anschließenden elektrolytischen Ruthenium-Abschei­ dung.
Die Elektrolysezelle besteht aus einem Gefäß 1 mit Doppelmantel 7 zur Temperierung. Das Elektrolysegefäß 1 muß in seinen Abmessungen der Forderung nach minimalem Arbeitsvolumen genügen. Vorzugsweise sollte das Arbeitsvolumen 5 ml nicht überschreiten. Außerdem muß das Elektrolysegefäß 1 für die Präparation und Einstellung des Elektrolyten in der Weise geeignet sein, daß die Zugabe von Flüssigkeiten über eine Öffnung 10 und ein Rühren des Elektrolyten mittels Rührer 5 möglich ist. Auch muß die Kathode 2 entsprechend der gewünschten aktiven Länge in den Elektrolyten positioniert eintauchen können. Erfin­ dungsgemäß wurde die Elektrolysezelle 1 so gestaltet, daß die Kathode 2 mit einer Einrichtung zum Öffnen des Arbeitsraumes 3 verbunden ist. Die Anode 4 umgibt in einer bevorzugten Anordnung die Kathode 2 koaxial. Oberhalb des Flüssigkeitsstandes des Elektrolyten beinhaltet das Elektrolysegefäß 1 ein Element zur Absaugung von Gasen und Dämpfen 6, so daß permanent ein leichter Unterdruck angelegt werden kann.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle dargestellt.
Ausführungsbeispiele 1. Beispiel
Durchführung der erfindungsgemäßen elektrolytischen Erzeugung von radioaktiven Ruthenium-Schichten, indem Nitinol-Draht von 0,3-0,5 mm Durchmesser verwendet wird und die Zwischenschichten sowie die Deckschicht aus Gold hergestellt werden.
1. Vorbehandlung
Prozeßfolge der Vorbehandlung (dazwischen Spülschritte):
  • 1. Ultraschall-Entfettung [40 g/l, 60°C, 2 min. Sloto­ clean AK 1190 (Fa. Schlötter)]
  • 2. Kathodisches Entfetten [100 g/l, RT, 0,3 min., Sloto­ clean EL-KG (Fa. Schlötter)]
  • 3. Anodisches Aktivieren (Schwefelsäure 5%, RT, 0,25 min)
  • 4. Beizen [HF/HCl (4%, 18%), RT, 0, 25 min] (gegebenenfalls 3. und 4. zyklisch wiederholen)
2. Zwischenschichten
Eine Vorvergoldung dient als Haftvermittlung zwischen dem Substrat und der Ru-Schicht. Es wurde als Vorgold der kommerzielle Elektrolyt Auruna® 311 gewählt. Eine vorhergehende Säureaktivierung ist durch das Beizen bereits gegeben. Als Zwischenschicht zwischen den Ru- Abscheidungen eignet sich ebenfalls Gold, wobei der Elektrolyt Auruna® 533 gewählt wurde. Die Voraktivierung erfolgt durch Dekapieren mit Schwefelsäure (5%, RT, 0,5 min). Beide Elektrolyten sind Cyano-Gold-Komplexe der Fa. Degussa.
Prozeßparameter
Vorgold: Auruna® 311 (Fa. Degussa, 2 g/l, RT, 10 min. 2A/dm2
)
Zwischenschichten
Auruna® 533 (Fa. Degussa, 8 g/l, 35°C, 7 min. 1 A/dm2
)
3. Ru-Abscheidung
Der Ru-Komplex RuNC wird als Elektrolyt benutzt. Die Präparation erfolgt vorab direkt in der speziell entwickelten Elektrolysezelle. Der Elektrolyt wurde durch Zusatz von PPS (Sulfopropylpyridin, 3 g/l, Fa. Raschig) modifiziert.
Die Betriebsparameter der Ru-Elektrolyse sind:
  • - Ru-Konzentrationsbereich 4,8-0,2 g/l Ru
  • - Stromdichte: 0,25-0,35 A/dm2
  • - Temperatur: 70°C
  • - pH-Wert: 1,3-1,8
  • - Badbewegung: keine
  • - Elektrolytvolumen (max. 5 ml)
4. Deckschicht
Für Anwendungsfälle, wo eine Deckschicht erforderlich ist, läßt sich diese ebenfalls aus Hartgold erzeugen (analog den Zwischenschichten mit Hilfe Auruna® 533).
2. Beispiel
Herstellung der radioaktiven Ruthenium-Strahlenquelle durch Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur elektrolytischen Erzeugung von radioaktiven Ruthenium- Schichten auf einem leitfähigen Träger, indem ein Nitinolrohr oder -draht von 0,2-0,6 mm Außendurchmesser auf einer Länge von 0,5-7 cm beschichtet wird und Zwischenschichten sowie die Deckschicht aus Gold verwendet werden.
  • 1. Vorbehandlung wie in Beispiel 1
  • 2. Zwischenschichten wie in Beispiel 1
  • 3. Ru-Abscheidung wie in Beispiel 1
  • 4. Deckschicht
Die Deckschicht muß im Sinne der Herstellung einer umschlossenen Strahlenquelle in ihren Qualitätsparametern Porenfreiheit gegen Auswaschung von radioaktivem Ru und Rißfreiheit bei anwendungstypischer mechanischer Belastung sowie Verschleißfestigkeit gegenüber Abrieb an HD-PE garantieren. Eine derartige Deckschicht läßt sich aus Hartgold erzeugen (siehe Beispiel 1).
Bezugszeichenliste
1
Elektrolysegefäß
2
Kathode
3
Vorrichtung zum Öffnen des Arbeitsraumes
4
Anode
5
Magnetrührer
6
Element zur Luftabsaugung
7
Doppelmantel
8
Blei-Abschirmung
9
Anodenkontaktierung
10
Öffnung für Zugabe von Flüssigkeiten

Claims (14)

1. Verfahren zur elektrolytischen Erzeugung von radio­ aktiven Ruthenium-Schichten auf einem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem ausgewählten Träger ein Mehrschichtsystem aus Metallen und/oder Legierungen galvanisch aufgebracht wird, wobei mindestens eine Schicht radioaktives Ruthenium enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das galvanische Bad zur Abscheidung einer Schicht, die radioaktives Ruthenium enthält, auf einem Elektrolyt mit dem anionischen Ruthenium- Komplex [Ru2NCl8(H2O)2]3- basiert, der ohne Zwischenschritte durch Hydrolyse aus radioaktiver Ruthenium(III)chlorid-Lösung unter Zusatz von Amidosulfonsäure im Überschuß hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das galvanische Ruthenium-Bad Sulfopropylpyridin (PPS) als Zusatz enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Elektrolyten und die galvanische Ruthenium-Abscheidung in der selben Elektrolysezelle erfolgen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall im galvanischen Mehrschichtsystem für Schichten, die kein radioaktives Ruthenium enthalten, Gold aus einem üblichen galvanischen Goldbad, das einen Cyano-Gold-Komplex als Elektro­ lyt enthält, abgeschieden wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der galvanischen Abscheidung der Träger einer Vorbehandlung untergezogen wird, indem er entfettet wird und vorhandene Oxidschichten und gegebenenfalls fest haftende Partikel entfernt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger Messing, Kupfer, legierte Stähle, Nickel, Titan und deren Legierungen, Silber, Gold und Platinmetalle eingesetzt werden und gleichzeitig die Kathode bilden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger in der Form eines Rohres, eines Einzeldrahtes bzw. einer Anordnung aus mehreren Drähten, einer strukturierten oder unstrukturierten Folie, eines Netzes, eines homogenen oder inhomogenen Formkörpers, eines Zylinders oder einer Kugel eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Nitinol als Trägermaterial eingesetzt wird.
10. Radioaktive Ruthenium-Strahlenquelle bestehend aus einem Ruthenium-beschichteten Träger, der gemäß der Ansprüche 1-9 hergestellt ist, und einer Umschließung aus Metall oder Kunststoff.
11. Strahlenquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschließung aus einem galvanisch abgeschiedenen Metall besteht.
12. Strahlenquelle nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtschichtdicke der radioaktiven Schicht 3-10 µm beträgt, wobei die Gesamtschichtdicke die Summe der Schichtdicken jener Schichten ist, die radioaktives Ruthenium enthalten.
13. Strahlenquelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivität der Ruthenium-Schicht bis zu 1,5 mCi/mm2 beträgt.
14. Elektrolysezelle zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Gefäß (1) mit Doppelmantel (7) zur Temperierung besteht, die Kathode (2) mit einer Einrichtung zum Öffnen des Arbeitsraumes (3) verbunden ist, die Anode (4) die Kathode (2) koaxial umgibt und das Gefäß (1) oberhalb des Flüssigkeitsstandes des Elektrolyten ein Element zur Absaugung von Gasen und Dämpfen (6) und eine Öffnung für die Zugabe von Flüssigkeiten (10) beinhaltet.
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