Cuando se rocía agua con un pulverizador, el líquido sale en forma de pequeñas gotas. Esto inspiró a los ingenieros de materiales la idea de rociar vidrio fundido y obtuvieron lo análogo: gotas esféricas de vidrio de diámetro menor que el de un cabello humano, como se ve en la figura 4.27.
El hecho de que estos nuevos materiales tengan un tamaño parecido al de los capilares sanguíneos en los tumores cancerosos del hígado hizo preguntarse si serían útiles en el tratamiento de esta dolencia que tiene una tasa de mortalidad muy alta. Se pensó en una doble estrategia: la embolización y la irradiación ionizante. Embolizar un vaso sanguíneo consiste en taponarlo. De esta manera, si el vaso del tumor está ocluido se impide que le llegue sangre. Si además al tapón se le incorpora una carga radiactiva cuya acción sea de corto alcance, las células cancerosas serán destruidas sin que se vea afectado el tejido sano circundante. Esto permite aumentar en mucho la dosis radiactiva de manera segura. El tratamiento se denomina radioembolización.
Convenía también usar un isótopo radiactivo con una semivida lo suficientemente larga como para que la dosis de radiación fuese duradera. Se optó finalmente por el itrio. Por ello, estas microesferas se pueden preparar a partir de vidrio de aluminosilicato de itrio (Y2O3, Al2O3 y SiO2). El vidrio se muele y tamiza para conseguir que sus partículas tengan un tamaño determinado y después se hace que atraviese una llama en la que existe un gradiente de temperatura (por ejemplo, entre 600 oC y 2000 oC). Durante su trayectoria dentro de la llama las partículas vítreas se licuan y, debido a los efectos de la tensión superficial, adoptan una forma esférica. Como es sabido, la tensión superficial es la oposición que ejercen los líquidos a que se aumente su superficie. Esto se debe a que, a diferencia de las moléculas del seno del líquido, cuyas fuerzas de cohesión se anulan entre sí, las de la superficie experimentan una fuerza neta hacia el interior, como se muestra en la figura 4.27-dcha. La tensión superficial provoca que los líquidos tengan la menor superficie posible, y eso lo logran adoptando una forma esférica.
Una vez que se obtienen las microesferas, se introducen en un reactor nuclear para activarlas, lo cual consiste en transformar el 89Y que forma parte de la matriz vítrea en 90Y por captura de un neutrón[3]. La reacción es esta:
8939Y + 10 n ⟶ 9039Y [4.7]
Como es sabido, el número que figura debajo de cada elemento es su número atómico (Z, número de protones) y el de arriba es el número de masa (A = Z + N, siendo N el número de neutrones). A los neutrones se les asigna un valor Z = 0 y de este modo se cumplen las dos reglas de conservación de las reacciones nucleares: que la suma de los números atómicos de los reactivos sea igual a la de los productos (39 + 0 = 39) y que lo mismo suceda con los números de masa (89 + 1 = 90). Como se ve, la reacción [4.7] consiste en la conversión de un isótopo de itrio en otro, diferenciándose ambos en un neutrón.
El 90Y formado es un elemento radiactivo de los del tipo emisor beta puro, lo que significa que solo emite partículas β–, es decir, electrones de alta energía o negatones. La reacción nuclear es[4]:
9039Y ⟶ 9040Zr + 0–1β [4.8]
(Como se ve, también se cumplen las dos reglas de conservación, teniendo en cuenta que a los electrones se les asigna el valor Z = –1). El 90Zr no es radiactivo, pero las partículas β– atacan al medio que las rodea (las células tumorales) por tener carácter ionizante. Su energía máxima es de casi 2,3 MeV; la energía promedio, de algo menos de 1 MeV. Su recorrido en los tejidos blandos es de poco más de 1 cm y su recorrido promedio es de un tercio de esa distancia.
La velocidad de las desintegraciones nucleares responde a lo que se llama cinética de primer orden o de orden 1. Eso significa matemáticamente que la velocidad de la reacción viene dada por la siguiente ecuación [4.9]:
donde es el número de átomos radiactivos que quedan sin desintegrar en una muestra que tenía átomos radiactivos cuando se empezó a contar el tiempo. El valor es una constante característica del núclido radiactivo (en este caso, el 90Y). Pasando al primer miembro y al segundo e integrando entre un tiempo y un tiempo se llega sin dificultad a [4.10]:
Si se define el tiempo de semivida o de semidesintegración, t1/2, como el que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos, es decir, el tiempo necesario para que se cumpla la relación Nt = N0 /2. Sustituyendo ese valor en [4.10] y tomando logaritmos se llega a [4.11]:
El tiempo de semivida del 90Y es de 64,1 horas. Esto significa que en ese periodo se descompone en 90Zr la mitad de los núcleos de 90Y que se inoculan en las microesferas de sílice. La mitad restante lo hará en otras 64,1 horas, y así sucesivamente, de modo que aproximadamente en un mes se puede considerar que desaparece toda la radiactividad.
Las características fisicoquímicas de estas microesferas dependen tanto de las propiedades físicas del vidrio que se utilice (densidad, viscosidad, conductividad térmica, tamaño de partícula) como de las propiedades de la llama (perfil de temperatura, velocidad del gas) y de otras variables del proceso. La esferificación durante la trayectoria de la partícula se puede describir por modelos físico-matemáticos relativamente simples. Las microesferas resultantes deben tener un diámetro de entre 20 y 50 mm para que puedan embolizarse dentro de la microvasculatura tumoral. Deben tener alta esfericidad, superficie lisa, ausencia de cristalización y buena resistencia a la lixiviación (salida de los compuestos contenidos en ellas)[5].
Cuando se iniciaron estos tratamientos se probó con pacientes voluntarios desahuciados. Acudieron a la consulta de manera ambulatoria y se les inyectó mediante un catéter una dosis de unos pocos millones de microesferas radiactivas (los medicamentos actuales contienen unas 50000 por miligramo). Luego se fueron a su casa sin experimentar efectos secundarios significativos. Con un solo tratamiento, muchos de estos pacientes sobrevivieron mucho más tiempo de lo que se había logrado con terapias anteriores. Los desarrollos iniciales de las microesferas de vidrio radiactivo se llevaron a cabo durante la década de 1990 y el método se sigue aplicando. En el caso de cáncer de hígado inoperable, se ha demostrado que el tratamiento de radioterapia selectiva interna con microesferas de vidrio radiactivo extiende y mejora la calidad de vida del paciente[6]. En la actualidad también se emplean microesferas de resina.
Las microesferas de vidrio también se pueden fabricar de manera que sean huecas y contengan aire o gases inertes. Un método es a partir de una disolución de vidrio soluble (metasilicato de sodio, Na2SiO3). Esta disolución se pulveriza mediante una boquilla ultrasónica que utiliza vibraciones de alta frecuencia para producir un aerosol del tamaño de gota deseado, el cual se somete a pirólisis. El método se denomina pirólisis de espray ultrasónico. Las microesferas obtenidas tienen muy baja densidad pero resisten fuerzas de compresión muy altas[7]. Por eso, son útiles para reducir la densidad de los fluidos que se emplean en las perforaciones para extraer petróleo o como material de relleno en materiales compuestos como la espuma sintáctica (apartado 8.7) o el hormigón celular. Se da este nombre en general a cualquier hormigón al que se le introducen rellenos con el objetivo de reducir su peso y ser mejor aislante térmico y acústico.
[1] M. Montazerian et. al. Materials 15 (2022) 7477. https://doi.org/10.3390/ma15217477.
[2] WassermoleküleInTröpfchen.svg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Wassermolek%C3%BCleInTr%C3%B6pfchen.svg&oldid=569350541.
[3] M. B. Bortot et al. Procedia Mater. Sci. 1 (2012) 351-358. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2012.06.047.
[4] A. A. Ramírez et al. Nucleus 52 (2012) 62-67. http://nucleus.cubaenergia.cu/index.php/nucleus/article/view/574.
[5] D. W. Richerson (op. cit.).
[6] M. B. Bortot (op. cit.).
[7] S. Shahidan. MATEC Web Conf. 103 (2017) 01014. https://doi.org/10.1051/matecconf/201710301014.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
