MR Kontrast Maddesi Gadolinyum Nedir?

Gadolinyum, manyetik özellikleri sebebiyle önemli bir lantanittir. MR ilaçları gadolinyum bazlıdır. Gelecek için umut vaat eden elementlerdendir.

Gadolinyum, nadir toprak elementleri arasındaki olağandışı özellikleri sebebiyle önemli işlevler için tercih edilen bir elementtir. Manyetik özellikleri, gadolinyumu lantanitler arasında ayrıcılıklı konuma yükseltir. MR görüntüleme uygulamalarında hastaya verilen gadolinyum bazlı ilaçlar, kontrastlı yani daha kaliteli görüntüler almaya olanak sağlar. Bazı gadolinyum izotoplarının yüksek nötron emme özelliği de olağanüstü olarak görülür. Bilgisayar belleklerinden mıknatıslara kadar birçok üründe gadolinyumun manyetik özelliklerinin etkisinden faydalanılır. Adını duyduğunuzda şaşkınlık yaşayabilirsiniz; ancak gadolinyum bildiğiniz gibi değil…

Tarihçesi

Gadolinyum, 1880 yılında İsviçreli kimyager Jean Charles Galissard de Marignac tarafından gadolinit mineralinde keşfedilmiştir. 1886 yılında Fransız kimyager Paul Emile Lecog de Boisbaudran tarafından metal gadolinyum izole edilmiştir.

Marignac, gadolinit minerallerinden alınan bir oksit örneğinde gadolinyuma ait spektroskopik çizgiler gözlemledi. Bu çizgilerin yeni bir elemente işaret ettiğini fark ederek gadolinyum oksidi ayrıştırdı. Yeni oksidi “gadolinia” olarak adlandırdı. Boisbaudran ise, Marignac’ın keşfini doğruladı ve gadolinyum metal ayrımını yaptı. Yüzde 99,3 oranında saf metalik gadolinyum, ilk olarak Fransız kimyager ve mühendis Felix Trombe tarafından 1935 yılında izole edildi. Aynı yıl içinde Georges Urbain, Pierre Weiss ve Felix Trombe gadolinyumun oda sıcaklığında ferromanyetik hale geldiğini keşfetti.

“Gadolinyum” kelimesi, Fin kimyager ve mineralog Johan Gadolin’in isminden esinlenilerek türetilmiştir. Aslında “Gadolinyum” isminin çok uzun bir hikâyesi var. 1787 yılında İsveç’in Ytterby kasabası yakınlarındaki bir madende kömüre benzeyen bir mineral bulundu. Yıllar sonra “ittria” adı verilen bu mineralden bir örnek alan Finlandiyalı kimyager Johan Gadolin, 1794 yılında Finlandiya’da minerali inceledi. Gadolin, analiz sonuçlarını “yeni bir oksit” olarak yayınladı. Gadolin’i onurlandırmak için bu minerale “gadolinit” adı verildi. İtriyum elementi içerdiği için bu minerale bulunduğu kasabaya atfen “itterbit” adı da verilir. Gadolinitte bulunan yeni minerale de, Gadolin’i onurlandırmak için “gadolinyum” adını Boisbaudran önermiş, Marignac da onaylamıştır. İngilizcesi “gadolinium”dur.

Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Gadolinyumun kimyasal sembolü “Gd”dir. Atın numarası 64, atom ağırlığı 157,25, yoğunluğu 7,9 gcm3’tür. Erime noktası 1313 derece, kaynama noktası 3273 derecedir. Periyodik tablonun 3-B grubunda nadir toprak elementler yani lantanit serisinde yer alır. Diğer lantanitlere benzer şekilde metalik parlak, gri renktedir. Kristal yapısı oda sıcaklığında hekzagonaldır. Orta derecede sünek, orta derecede serttir. Kimyasal özellikleri bakımından lantana benzer. Gadolinyumun metal formu, olağandışı süper iletken özelliğe sahiptir. Elektropozitifliği yüksektir.

Gadolinyum, bileşiklerinde +3 değerliklidir. Kuru havadan etkilenmez, nemli havada yüzeyinde ince bir oksit tabakası oluşur. Tuzları beyazdı, yüksek sıcaklıkta erir. Solüsyonları renksizdir. Suyla yavaşça reaksiyona girer, seyreltik asitlerde çözünür. 810 derecenin altındaki sıcaklıklarda süper iletkendir. Çeşitli metallerin oksitlerini elementlerine indirgeyen güçlü bir indirgeyici ajandır.

Doğada saf olarak bulunmaz. Yerkabuğunda en bol bulunan elementler arasında 40. sıradadır ve milyonda 4,5 ila 6,5 oranında bulunur; ağırlık bakımından kilogramda 6,2 miligram oranında gadolinyum içeriği vardır. Yerkabuğunda nikel ve arsenik kadar boldur. Diğer nadir toprak elementleri ile minerallerde bir arada bulunur. Yaygın mineralleri; gadolinit, samarskit, ksenotim, monazit ve bastnasittir. Minerallerden iyon değişimi ve çözücü ekstraksiyon yöntemleri ile elde edilir. Metal gadolinyum, susuz flüorürü metalik kalsiyum ile indirgeme yöntemi ile elde edilir. Nükleer fizyon ürünleri arasında da bulunur.

Gadolinyum, doğada 7 izotopun karışımından oluşur. Bu izotoplar; Gd-152 (% 0,20), Gd-154 (% 2,18), Gd-155 (% 14,8), Gd-156 (% 20,47), Gd-157 (% 15,65), Gd-158 (% 24,84) ve Gd-160 (% 21,86) şeklindedir. Gd-152, alfa ışını yayan radyoaktif bir izotoptur. Gd-157 izotopunun son derece yüksek nötron emme özelliği vardır. Doğal izotoplarının karışımı da çok yüksek nükleer absorpsiyon kesitine sahiptir. Nükleer izomerleri hariç atom kütle numaraları 133 ila 169 arasında değişen ve yarılanma ömürleri bilinen 32 radyoaktif izotopu karakterize edilmiştir. En bol kararlı izotopu Gd-158’den daha düşük kütleli izotoplarının birincil bozunma modu elektron yakalama; bozunma ürünleri ise evropiyum izotoplarıdır. Daha yüksek atom kütleli izotoplarının birincil bozunma modu ise beta bozunumudur ve bozunma ürünleri terbiyum izotoplarıdır.

(Gadolinyumun manyetik özelliği, sabit diskler gibi çok sayıda üründe kullanılmasını sağlar.)

Gadolinyumun Manyetik Özellikleri

Gadolinyum, oda sıcaklığında güçlü bir manyetiktir. Ferromanyetik, paramanyetik, manyetokalorik özellikler gösterir.

Şöyle ki; gadolinyum, 17 dereceden düşük sıcaklıklarda ferromanyetiktir; yani bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den çok fazla büyüktür. Oda sıcaklığında ferromanyetik olma özelliği, lantanitler arasında sadece gadolinyumda bulunur. Daha düşük sıcaklıklarda demirden daha ferromanyetik hale gelir. Oda sıcaklıklarının üzerinde güçlü bir paramanyetiktir; yani sadece manyetik alan etkisi altında mıknatıslanma veya manyetizasyonlarını koruyabilirler. Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den büyüktür. Kendisini mıknatıslaştıran cisim tarafından çekilebilir. Kısacası; Curie noktası veya sıcaklığı, 17 derecedir. 17 derece, ferromanyetik halden paramanyetik hale geçtiği kritik sıcaklıktır. Paramanyetizma alanında çalışan Pierre Curie’nin anısına bu kritik sıcaklığa “Curie noktası” denmektedir.

Gadolinyum, aynı zamanda manyetokalorik etkisi yüksektir, yani; “artan ya da azalan bir manyetik alan altında bulunan manyetik malzemenin entropisindeki değişimden kaynaklanan adyabatik sıcaklık değişimi” şeklinde bir etkisi vardır. Bilimsel açıklamasını özetlersek; manyetik alana girdiğinde sıcaklığı artar, manyetik alanı terk ettiğinde sıcaklığı azalır.

Hangi Alanlarda Uygulamaları Vardır?

Gadolinyum, tıp, metalürjik ve nükleer alanlarda kullanılabilen bir elementtir. Demir, krom ve benzeri metallerle bazı alaşımlarda kullanılır. Alaşımlara yüzde 1 oranında katılan gadolinyum; alaşımların sertlik, elektrik ve ısı iletkenliği, çekme gerilimi ve işlenebilirlik gibi özelliklerini iyileştirir. Etkili termal nötron yakalama özelliği sebebiyle nükleer reaktörlerdeki kontrol çubuklarında kullanılmaktadır. Manyetokalorik etkisi sebebiyle manyetik soğutma uygulamalarında kullanılabilir. Gadolinyum itriyum granülleri mikrodalgalarda kullanılır. Renkli televizyonlarda kullanılan yeşil fosforların bileşenlerinde gadolinyum da bulunur.

Gadolinyum, bileşikleri ve alaşımlarının kullanıldığı bazı ürün ve alanlar şunlardır; refrakter uygulamaları, seramikler, optik cam, x-ray ekranları, katalitik uygulamalar, kalıcı mıknatıslar, bilgisayar çipleri, hard diskler, CD’ler, mikrodalgalar, kameralar, flüoresan lambalar, tomografi sintilatörleri, manyetik soğutma cihazları…

(Renkli beyin MR'ı görüntüsü... Gadolinyum katkılı kontrast maddeleri, MR uygulamalarında kaliteli görüntü alınmasını sağlar.)

Gadolinyum ve Sağlık

Gadolinyum, tıp alanında kullanılan elementlerden biridir. MR görüntüleme uygulamalarında kullanılan bileşenlerdendir. MR tarayıcılarda vücut kesitleri çok kuvvetli manyetik alana maruz kalırlar. Paramanyetik özeliği bulunan gadolinyumun rezonans frekansı, MR (manyetik rezonans) cihazlarındaki hidrojen rezonans frekansına çok yakındır. Bu sebeple vücudun iç yapılarını görüntüleme uygulamalarında (MR) kaliteli görüntüler alınmasını sağlar. Kontrast artırmak için en yaygın kullanılan bileşikler gadolinyum bazlıdır.

Vücuda ağız veya enjekte yoluyla alınan kontrast maddeleri, yumuşak dokular tarafından hızla emilir. Bu şekilde özellikle tümörlü hücrelerin MR uygulamalarında iyi düzeyde görüntülemesine olanak sağlar. Uygulanan bu işleme “kontrastlı MR” adı verilir. Gadolinyum, vücutta depolanmaz, bir süre sonra atılır. Bu sebeple çok ideal bir kontrast maddesidir. MR uygulamalarında kontrast maddelerin önemli bir bölümü gadolinyum içeren ajanlardır.

Gadolinyum içeren görüntüleme ajanları ve kontrast maddelerinin bazı yan etkileri ortaya çıkabilir. Bunlardan bazıları şunlardır; kusma, düşük tansiyon, kurdeşen, alerjik reaksiyonlar, kasık ağrıları, gırtlak ödemi, astım, böbrek hasarları, cilt ve bağ doku fibrozlar (nefrojenik sistemik fibrosiz).

Gadolinyum kontrast katkılarının alerjik yan etkilerinin görülme oranı 10 bin hastada 1’dir. En önemli yan etkisi, nefrojenik sistemik fibrosiz (NFS) hastalığıdır. Ender görülen zayıflatıcı ve öldürebilen bir hastalıktır. Böbrek rahatsızlıkları olan kişilerde daha sık görülür. Cilt ve bağ dokularında fibrosiz ile karakterize, edinsel bir sistemik hastalıktır. Ciltte kalınlaşma, sertleşme, kızarıklık, papüller, plaklar ve deride portakal kabuğu görünümü gibi belirtileri vardır. Eklemlerde de görülebilir. Bu yan etkinin görülme oranı da 100 hastada 1 kişi veya daha az bir orandır.

Ayrıca, Gd-152 izotopu ise, osteoporoz araştırmaları ve kemik yoğunluğu ölçümlerinde kullanılmaktadır.

Bunları Biliyor Musunuz?

• Gadolinyum, bütün elementler arasında en yüksek termal nötron yakalama kesitine sahiptir. Nötron yakalama için en uygun izotoplar olan Gd-155 ve Gd-157, gadolinyum minerallerinde çok az miktarlarda bulunur.
  
• Gadolinyumun, manyetokalorik yani manyetik soğutma özelliği sebebiyle gelecekte buzdolaplarının soğutucu bileşenlerinde kullanılabileceği değerlendiriliyor.
  
• Gadolinyum içeren minerallerin cevherleri ağırlıklı olarak Çin, ABD, Brezilya, Sri Lanka, Hindistan ve Avustralya’da bulunur.
  
• Dünya üzerindeki gadolinyum rezervlerinin 1 milyon tonun üzerinde olduğu tahmin ediliyor.
  
• Dünyada genelinde yılda 400 ton civarında saf gadolinyum üretiliyor.