Gadolinium

Le gadolinium, élément atomique n°64 de symbole Gd : ses propriétés et ses utilisations.

Le gadolinium a une forte tendance à absorber les neutrons thermiques. En effet, sa section efficace de capture neutronique thermique est de 49 kilobarns. En comparaison aux autres éléments naturels, la section efficace du gadolinium est considérée comme la plus élevée.

Le gadolinium est néfaste pour le corps humain lorsqu’il est présent sous forme ionique (Gd³⁺). Cette forme particulière du gadolinium se substitue au calcium dans le corps, et perturbe des fonctions importantes telles que la respiration, la contraction des muscles, les battements du cœur et la coagulation du sang. Cependant, le gadolinium est parfois utilisé en médecine pour améliorer les images d’IRM. Il est administré sous forme de composé complexé afin d’éviter les effets toxiques.

Il n’existe qu’un seul minéral dans lequel le gadolinium est le principal composant, la lepersonnite-(Gd). Il est extrait essentiellement de deux minéraux. Il s’agit de la monazite (Ce,La,Th,Nd,Y)PO₄ et de la bastnäsite (Ce,La,Y)CO₃F. Ces minéraux sont souvent exploités pour leur contenu en terres rares, qui ont de nombreuses applications industrielles, telles que la fabrication de batteries, de matériaux électroniques et d’équipements médicaux.

Utilisation du gadolinium

En médecine

Le gadolinium Gd³⁺ est couramment employé comme agent de contraste en imagerie par résonance magnétique (IRM) pour améliorer la qualité des images produites lors de l’examen. Il est associé à d’autres substances (chélateurs) pour atténuer les effets toxiques qu’il a sur les cellules humaines. L’ion Gd³⁺ étant proche de l’ion calcium, il peut facilement le remplacer dans l’organisme. Cette substitution peut avoir des effets plus ou moins graves sur l’organisme, en fonction de la dose injectée. Ainsi, si une dose élevée de l’ion Gd³⁺ est administrée, elle peut provoquer des effets indésirables sur le rythme cardiaque et d’autres fonctions biologiques.

Pour être utilisé comme agent de contraste en imagerie médicale, le gadolinium est complexé avec une molécule appelée chélate, le rendant inerte et moins toxique. Lorsqu’il est administré sous cette forme, une quantité importante de gadolinium est retenue dans certaines zones du cerveau, notamment le noyau dentelé et le globus pallidus. Le système glymphatique se charge de l’absorption et de l’élimination des agents de contraste à base de gadolinium administrés par voie intraveineuse. Il s’agit du système de nettoyage et de drainage du cerveau, qui permet l’élimination des déchets métaboliques et des toxines du cerveau.

L’administration du gadolinium en IRM peut aussi se faire à partir d’une injection intrathécale. Il s’agit d’une voie d’administration qui permet de délivrer l’agent de contraste directement au niveau de la moelle épinière. Toutefois, lorsque ces doses sont trop élevées (supérieures à 1 mmol), elles peuvent causer des complications neurologiques graves et potentiellement mortelles.

Il existe deux types d’agents de contraste à base de gadolinium (GBCA) : les agents linéaires et les agents macrocycliques. Les agents linéaires ont une structure chimique plus simple et moins stable que les agents macrocycliques. Des études in vitro ont montré que les agents linéaires étaient plus toxiques pour les cellules nerveuses que les agents macrocycliques. L’utilisation de l’Omniscan et du Magnevist, des agents de contraste linéaire de gadolinium, a été suspendue par l’Agence européenne des médicaments (AEM) en 2017, en raison de préoccupations quant à leur sécurité. D’autre part, l’usage des agents macrocycliques reste autorisé en France à faible dose, et seulement lorsque le diagnostic l’exige.

Les GBCA sont considérés comme néphrotoxiques. Ils peuvent endommager les reins et entraîner une insuffisance rénale. Les patients présentant une insuffisance rénale préexistante sont particulièrement à risque. En outre, les GBCA peuvent provoquer une réaction inflammatoire chez certains patients, qui peut se manifester par des symptômes tels que des rougeurs, des démangeaisons, des douleurs et des gonflements. L’utilisation de GBCA peut entraîner une fibrose néphrogénique systémique (FNS) dans certains cas. Cette maladie rare affecte les tissus du corps, y compris la peau, les muscles et les organes internes, et peut être mortelle chez les patients présentant une insuffisance rénale.

Les résultats d’une étude suggèrent que l’utilisation répétée d’agents de contraste pour les IRM pourrait être associée à des effets négatifs sur les capacités verbales. Elle entraîne également un risque de confusion chez certains patients.

Une autre étude menée au Danemark sur l’utilisation du GBCA a révélé un total de 11,6 cas de FNS par million dans le pays, et 6,1 cas suspects n’ayant subi aucun examen. Ce taux est plus élevé que dans d’autres pays qui utilisent du gadolinium en quantité similaire. Les auteurs de l’étude suggèrent que la maladie est sous-diagnostiquée dans d’autres pays en raison du manque de connaissances des médecins. Cependant, les hôpitaux danois ont utilisé des techniques de diagnostic avancées, telles que la spectrométrie de masse. Elles permettent d’identifier la présence de gadolinium dans les biopsies cutanées des patients atteints de FNS.

Alliages

Le gadolinium est souvent ajouté comme additif dans les aciers au chrome pour améliorer leurs propriétés de transformation. En général, son ajout se fait jusqu’à concurrence de 1 %. Il aide à augmenter la dureté, la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue et la résistance à l’oxydation de l’acier.

Lasers

Le grenat de gadolinium-gallium (GGG) est utilisé dans la fabrication de lasers lorsqu’il est dopé avec des ions de néodyme, d’ytterbium ou de dysporium. Le GGG est un cristal transparent qui possède d’excellentes propriétés optiques. Il sert de substrat pour la croissance de couches minces de matériaux magnétiques, utiles pour les appareils électroniques et les technologies émergentes. Actuellement, des travaux sont en cours pour créer des lasers à rayons X en utilisant du cristal de Nd:GGG.

Capteur neutronique

Le gadolinium est utilisé dans certains réacteurs nucléaires sous forme oxydée (Gd₂O₃). Le but de cette utilisation est de contrôler la réactivité du réacteur en exploitant les propriétés neutrophages des isotopes ¹⁵⁵Gd et ¹⁵⁷Gd. Ces isotopes ont de grandes sections efficaces de capture neutronique, respectivement de 61 kilobarns et de 254 kilobarns. En capturant des neutrons, ces derniers se transforment en isotopes ¹⁵⁶Gd et ¹⁵⁸Gd, qui, selon leurs sections efficaces, ne sont pas absorbants. Le comportement du gadolinium sous irradiation est particulier en raison de l’effet de peau. Le neutron du gadolinium n’est efficace que jusqu’à un point de rupture déterminé. En outre, le gadolinium a une durée de vie limitée dans le réacteur et doit être remplacé périodiquement.

En 2019, l’eau du Super-Kamiokande, un détecteur de neutronis japonais, a été dopée au gadolinium. L’ajout de ce produit contraste IRM permet aux scientifiques de détecter les neutrons produits par les collisions entre les particules qui sont émises lors de réactions nucléaires (antineutrinos) et les protons présents dans les molécules d’eau. Ce processus peut aider à mieux comprendre les réactions nucléaires qui se produisent dans les étoiles.

Autres utilisations du gadolinium

Le gadolinium est l’un des matériaux les plus couramment utilisés dans la technologie de la réfrigération magnétique en raison de sa forte capacité des rapportant à l’effet magnétocalorique (EMC). Cette propriété physique permet au matériau de se refroidir lorsqu’il est exposé à un champ magnétique et de se réchauffer à nouveau lorsqu’il est retiré.

Le gadolinium est un élément utilisé comme matériau phosphorescent dans les tubes cathodiques, présent dans les télévisions et les moniteurs d’ordinateur CRT (Cathode Ray Tube).

Enfin, le gadolinium est employé dans la fabrication d’alliages supraconducteurs en raison de ses propriétés magnétiques spécifiques.