PRINCÍPIOS DE RADIOATIVIDADE RADIOBIOLOGIA

Transcrição

1 PRINCÍPIOS DE RADIOATIVIDADE RADIOBIOLOGIA

2 Estrutura e representação dos átomos ÁTOMOS NÚCLEO prótons nêutrons partículas β - (negatron) partículas β + (positrons) ÓRBITAS Eletrons Energia nuclear Energia que mantém a ligação de p + e n

3 Átomos X símbolo do elemento Z número atômico (número de prótons) A número de massa (prótons + nêutrons) A-Z = N (número de nêutrons) X A Z

4

5 Elementos químicos naturais Atualmente, a tabela periódica contem 118 elementos confirmados: do elemento 1 (hidrogênio) até o 118 (oganesson). Os elementos 113 (Nihonium), 115 (Moscovium), 117 (Tennessine) e 118 (Oganesson) foram confirmados oficialmente pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), em dezembro de 2015.

6 Elementos químicos naturais

7 Radioatividade Emissão espontânea de partículas ou energia a partir do núcleo de um átomo ionização de átomos e moléculas Radiação modificação química

8 Radioatividade (Origem) Natural fontes naturais na superfície ( anomalias ) radiações cósmicas (sol) Artificial Fissão e fusão nucleares Casal Joliot-Curie, Frederic e Irene, demonstrou a existência do nêutron e descobriu, em 1934, a radioatividade artificial, bombardeando núcleos de boro e alumínio com partículas alfa, o que lhe valeu o prêmio Nobel de Química de 1935.

9 Fontes artificiais de radiação Geradores de Radiação: Tubo de raios X nos equipamentos de radiodiagnóstico; Aceleradores de partículas; Fontes de nêutrons; Irradiadores com radioisótopos.

10 Como usar a energia armazenada no núcleo do átomo? Fissão nuclear Bombardeamento de núcleos transmutação de elementos

11 Reação em cadeia Ex. Urânio 235

12 Fusão nuclear

13 Elementos químicos capazes de produzir radiação 1) ISÓTOPOS 2) ISÔMEROS

14 ISÓTOPOS átomos de mesmo elemento químico com massas diferentes mesmo lugar na classificação periódica dos elementos mesmo número de prótons varia o número de nêutrons Duas classes: Estáveis não se modificam espontaneamente (não são radioativos). Ex: C 12, N 14, O 16,... Instáveis emitem espontaneamente partículas ou energia pelo núcleo (radioisótopos). Ex: H 3,I 125, I 131

15 Isótopos de urânio Urânio na natureza - dióxido de urânio (UO2) (99,284% do isótopo U238; 0,711% do isótopo U235; quantidade desprezível de U234. Em 1000 átomos, 7 são U235 e 993 são U238 (0,7 %) Urânio enriquecido é aquele cujo teor de U235 foi aumentado por tratamento industrial do isótopo natural. Para a ocorrência de fissão nuclear em cadeia e produção de energia em um reator nuclear, a amostra de urânio deve ter 32 átomos U235 para 968 U238 (3,2%)

16 Reator nuclear geração de energia pela produção de calor originada na fissão nuclear O urânio enriquecido tem entre 90% e 99% de U-235. Por essa altíssima concentração, o produto gera uma energia absurda em frações de segundo durante a fissão nuclear. Por isso, o urânio enriquecido é usado nas bombas atômicas. Alguns gramas dele causam mais destruição do que a observada em Hiroshima, no Japão, em Reator nuclear 3,2 % / Bomba atômica 90 %

17 Reator nuclear geração de energia pela produção de calor originada na fissão nuclear

18 Reator nuclear geração de energia pela produção de calor originada na fissão nuclear

19 Reator nuclear geração de energia pela produção de calor originada na fissão nuclear Alguns gramas de urânio enriquecido fornecem energia equivalente à da queima de toneladas de carvão ou de milhões de litros de gasolina

20 ISÔMEROS Possuem mesmo número de prótons e nêutrons, mas diferem no conteúdo de energia do núcleo. Dois estados: Metaestáveis (m) excesso de energia. Fundamental após a emissão de energia O estado metaestável de um átomo é causado pela excitação de um próton ou nêutron no seu núcleo atômico, de modo que estes sofram uma mudança de spin (angulação estrutural) antes que possam liberar sua energia extra.

21 ISÔMEROS conhecidos

22 Emissões radioativas - Primárias Emissão alfa um nuclídeo emite uma partícula e se transforma em outro átomo.

23 Emissão beta um nuclídeo emite uma partícula β - (negatron) ou β + (positron) e se transforma em outro átomo. Partícula Massa de um elétron β - - elétron β + - anti-elétron

24 Emissão gama um átomo, após emissão de partícula, sofre rearranjo nuclear e emite radiação gama (energia eletromagnética). Não tem carga elétrica

25 Emissões radioativas - Secundárias Captura de elétrons (CE) núcleo absorve elétron da órbita K. Ao chegar no núcleo, o excesso de energia do elétron é emitido como radiação gama ou Raios X.

26 Transição isomérica (TI) Emissão de energia gama, após rearranjo energético das partículas intra-nucleares. Bromo, Tecnécio, Índio

27 Captura isomérica (CI) A radiação gama emitida pelo núcleo na transição isomérica é absorvida por elétrons orbitais, que são ejetados.

28 Propriedades das emissões radioativas 1) Capacidade de ionização da matéria 2) Capacidade de penetração da matéria

29 Propriedades das emissões radioativas Alfa partícula mais pesada. Altamente ionizante. Mínima penetração. Beta massa ínfima. Menos ionizante, porém mais penetrante que a partícula alfa. Gama radiação menos ionizante de todas, porém altamente penetrante

30 Energia das radiações - Elétron volt Emissões radioativas Alta energia ELÉTRON VOLT (ev) Energia cinética adquirida por um átomo acelerado entre 2 pontos cuja diferença de potencial é 1 volt 1 ev = 1,6 x J (unidade muito pequena) Múltiplos: Kilo elétron volt - kev 10 3 ev Mega elétron volt - MeV 10 6 ev Giga elétron volt - GeV 10 9 ev

31 kev MeV Comuns em radioisótopos usados em Biologia Obs: Reações químicas 2 a 10 ev de Energia

32 Meia - Vida Radioatividade de um material diminui ao longo do tempo (decaimento). Decaimento do iodo-131 MEIA VIDA (T ½) tempo necessário para a radioatividade cair à metade

33 Unidades Atividade de um radioisótopo emissões na unidade de tempo Becquerel (Bq) = 1 desintegração por segundo Curie (Ci) = 3,7 x Bq (Referência 1 grama de Ra 226 ) Becquerel (Bq) = 2,7 x Ci Atividade específica atividade x massa Ci.g -1 = 3,7 x g -1

34 Dose de radiação (exposição) Roentgen r - dose de exposição (quantidade de radiação necessária para produzir 1,61o x pares de íons / kg ar seco a 0 C) Rem (roentgen equivalent man) - uma unidade de dose de radiação Sievert - 1 Sv = 100 rem Dose absorvida (D) Rad rd - dose absorvida de radiação (unidade antiga) Gray Gy absorção de energia (quantidade de radiação que deposita energia de 1 joule por kg de massa do material absorvente) Grandeza Unidade antiga ou especial Unidade SI Equivalência Atividade (A) Ci (curie) Bq (becquerel) 1 Ci = 37 G Bq Exposição (X) R (roentgen) Gy (gray) 1 Gy 100 R Dose de radiação rem (roentgen equivalent man) Sv (sievert) 1 Sv = 100 rem Dose absorvida (D) rad (Radiation absorbed dose) Gy (gray) 1 Gy = 100 rad Dose equivalente (H) Sv (sievert)

35 Radiações ionizantes e excitantes Alta frequência Baixa frequência Radiações ionizantes Raios X e raios gama (possuem energia suficiente para ionizar a matéria) Radiações excitantes Raios ultra violeta (U. V.)

36 Raio X - propriedades Classificação dependendo da capacidade de penetração da radiação no tecido: Tecido a ser radiografado Tecido duro Tecido mole Tecido oco Raios-X: Duros (muito energéticos); Médios e Moles (pouco energéticos)

37 Luz Ultra-Violeta (UV) - Energia excitante energizando o átomo (calor, radiação γ ou X, eletricidade) - elétrons absorvem energia e saltam para orbitais mais externas. Na volta, a energia é devolvida como luz UV. Usos da luz UV/ benefícios: Acelerar reações fotossensíveis Esterilização (UVB) Luz negra (leitores óticos, lanternas) Germicida Polimerização de resinas Emprego terapêutico (fototerapia) Síntese de vitamina D (raquitismo) Antidepressivo sazonal (serotonina)

38 Radiação UV - principal fonte - sol (a porção UV < 10% de sua energia total). - Toda radiação com comprimento de onda menor que 400nm. - O espectro UV é subdivido em faixas: UVA para nm, UVB para nm, UVC para nm. UVC - Praticamente todo absorvido pelo ozônio. Pouquíssimo ou nada chegam à biosfera. UVB - Boa parte é absorvida pelo ozônio. A faixa dos maiores comprimentos é espalhada e atenuada, mas mesmo assim chega à biosfera. UVA - Não é absorvida pelo ozônio. É a parte UV que mais atinge a biosfera.

39 Radiobiologia Estudo dos efeitos das emissões radioativas na Natureza, especialmente nos seres vivos. Radiação de fundo - ambiental Jazidas Brasil

40 Emissões radioativas agem nos sistemas biológicos Formação de íons e radicais livres na matéria Radicais reagem em caminhos metabólicos diferentes dos normais Resultados biológicos

41 Mecanismos do efeito biológico das radiações Ação direta radiação choca-se diretamente com as moléculas biológicas (DNA, proteínas, lipídeos, etc) 20 % do efeito total proteína

42 Mecanismos do efeito biológico das radiações Ação indireta radiação é absorvida pela água, formação de radicais muito reativos lesão de biomoléculas. 80 % do efeito total

43 Efeitos biológicos das radiações

44 Níveis estruturais e efeitos das radiações

45 Níveis estruturais e efeitos das radiações Nível MOLECULAR (lesões). Podem: Limitar-se a uma estrutura. Ser reversível ou irreversível. Ser transmitida geneticamente (mutações). Níveis SUPRAMOLECULARES: sensibilidade diferencial para células e tecidos.

46 Níveis estruturais e efeitos das radiações Níveis supramoleculares sensibilidade diferencial para células e tecidos. Muito sensíveis Medianamente sensíveis Menos sensíveis 1.0 Tecido Hematopoiético 3.0 Células Endoteliais 6.0 Células Ósseas (Linfócitos, Eritroblastos) 2.0 Células Epiteliais (Testículo, Ovário e Pele) 4.0 Tecido Conectivo 7.0 Células Nervosas 5.0 Células Tubulares dos Rins 8.0 Células Musculares

47 Fatores de sensibilidade tissular. Ordem decrescente 1. Maior quantidade de água 3. Taxa elevada de reprodução 2. Maior concentração de DNA 4. Baixo grau de diferenciação celular (indivíduos mais jovens) Radiossensibilidade animal é maior animais mais jovens mais evoluídos na escala zoológica + sensíveis.

48 Radioisótopos Aplicações Uso diagnóstico Uso terapêutico Medicina nuclear Agricultura (pesquisa, melhoramento) Indústria de alimentos Indústria Pesquisa médica / biológica (estudos ambientais)

49 Uso diagnóstico Radioisótopos administrados a pacientes emitem radiação do órgão onde se concentram. Iodo-131 (I -131 ) - emite partícula beta, radiação gama e tem meiavida de oito dias. O iodo é absorvido preferencialmente pela glândula tireoide, onde se concentra. O paciente ingere solução de I -131 (absorvido pela glândula), Um detector na frente do pescoço do paciente registra a distribuição / concentração do iodo em relação ao um padrão.

50 Uso diagnóstico Tecnécio-99 (Tc -99m ) - utilizado para mapeamento de diversos órgãos (cintilografia) : cintilografia renal, cerebral, hepato-biliar (fígado), pulmonar e óssea, de placenta. diagnóstico do infarto agudo do miocárdio / estudos circulatórios; Samário-153 (Sm -153 ) aplicado em pacientes com metástase óssea (paliativo para a dor). Os radiofármacos usados em medicina no Brasil são, em grande parte, produzidos pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN, em São Paulo. Distribuídos regularmente aos usuários.

51 Uso terapêutico Radioterapia contra células cancerosas. Fontes radiativas de césio-137 e cobalto-60 - usadas para destruir células de tecidos neoplásicos (mais sensíveis à radiação que dos tecidos sadios - radiosensibilidade). Aparelho de radioterapia mais conhecido - Bomba de Cobalto - fonte cobalto-60 (Co -60 ), encapsulada e blindada. Fonte de césio substituída pela de Co maior rendimento terapêutico.

52 Uso na indústria de alimentos/agricultura Uma aplicação importante - irradiação para a conservação de produtos agrícolas (batata, cebola, alho e feijão). Batatas irradiadas podem ser armazenadas por mais de um ano sem murcharem ou brotarem.

53 Uso na indústria de alimentos/agricultura Cebolas irradiadas podem ser armazenadas por mais de um ano sem murcharem, brotarem ou apodrecerem.

54 Uso na pesquisa biológica Estudos ambientais/agricultura O uso de traçadores radioativos possibilita o estudo do comportamento de insetos, como abelhas e formigas. Ao ingerirem radioisótopos, os insetos ficam marcados, passam a emitir radiação, e seu raio de ação pode ser acompanhado. No caso de formigas, descobre-se onde fica o formigueiro e, no caso de abelhas, até as flores de sua preferência.

55 Uso na pesquisa biológica Estudos ambientais/agricultura Marcação de insetos - útil para eliminação de pragas. Identifica que predador se alimenta de determinado inseto indesejável. Neste caso, o predador é usado em vez de inseticidas.

56 Uso na pesquisa biológica Estudos ambientais/agricultura Outra forma de eliminar pragas - esterilizar machos por radiação gama - soltá-los no ambiente para competirem com os normais, - redução sucessiva da reprodução, até a eliminação da praga, sem poluição com produtos químicos.

57 Uso na pesquisa biológica Fósseis de madeira, papiros e animais contêm C -14 (meiavida anos). Ou seja, a cada anos, a atividade do C -14 é reduzida à metade. Medindo-se a proporção de C - 14 ainda presente é possível saber a idade do material. Exemplo - determinação da idade dos Pergaminhos do Mar Morto.

58 Uso na pesquisa biológica Estudo de processos que ocorrem nos sistemas biológicos. Podem ser usados sob duas formas: Radionuclídeos - efeitos biológicos relacionados ao próprio nuclídeo (H 3, C 14, Na 24, I 131 ). Ex: transporte de sódio, metabolismo do ferro. Radiocompostos (Radiofármacos) - radionuclídeos incorporados em moléculas. Permite verificar o que aconteceu com o composto. Ex: metabolismo da glicose.

59 Uso na indústria Gamagrafia industrial - aplicação de radioisótopos - radiografia de peças metálicas. Fabricantes de válvulas gamagrafia para Controle da Qualidade - defeitos ou rachaduras no corpo das peças.

60 Uso na indústria As empresas de aviação fazem inspeções frequentes nos aviões, para verificar se há fadiga nas partes metálicas e soldas essenciais sujeitas a maior esforço (asas e turbinas) - gamagrafia.

61

62 Uso na indústria (farmacêutica) Uso de fontes radioativas esterilização de seringas, luvas cirúrgicas, gaze e material farmacêutico descartável, em geral. Seria praticamente impossível esterilizar, pelos métodos convencionais (altas temperaturas), tais materiais, que se deformariam ou se danificariam.

63