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El gadolinio es el elemento químico de símbolo Gd y número atómico 64. Forma parte del grupo de los lantánidos. El cuerpo simple del gadolinio se presenta en forma hexagonal, de color gris plateado. En 1880, Jean Charles Galissard de Marignac logró aislar el óxido de gadolinio. Posteriormente, en 1886, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran extrajo el metal puro. El nombre gadolinio fue dado en homenaje al químico finlandés Johan Gadolin.
El gadolinio pertenece a la familia de las tierras raras, y comparte las mismas características que los demás elementos de esta familia. Es maleable y puede sufrir deformación plástica sin romperse a temperatura ambiente. El gadolinio existe en otra forma cristalina llamada forma “beta”. De hecho, por encima de 1.508 K, adopta una forma cúbica centrada.
El gadolinio no se desintegra en aire seco, pero reacciona con el oxígeno cuando está en contacto con aire húmedo. A diferencia de otros elementos de las tierras raras, que pueden reaccionar violentamente con el agua, el gadolinio no presenta un peligro significativo cuando se expone al agua. Sin embargo, cuando el gadolinio se disuelve en ácidos, puede liberar hidrógeno gaseoso.
El gadolinio está clasificado entre los elementos ferromagnéticos, junto con el hierro, el níquel y el cobalto. Estos elementos poseen una fuerte magnetización. Sin embargo, el gadolinio pierde sus propiedades magnéticas a una temperatura baja (aproximadamente 292 K, o 19 °C). Es por eso que las propiedades ferromagnéticas de este elemento son cuestionadas.
El gadolinio tiene una fuerte tendencia a absorber neutrones térmicos. De hecho, su sección eficaz de captura neutrónica térmica es de 49 kilobarnios. En comparación con otros elementos naturales, la sección eficaz del gadolinio se considera la más alta.
El gadolinio es perjudicial para el cuerpo humano cuando está presente en forma iónica (Gd3+). Esta forma particular del gadolinio se sustituye al calcio en el cuerpo, y perturba funciones importantes como la respiración, la contracción muscular, los latidos del corazón y la coagulación sanguínea. Sin embargo, el gadolinio a veces se utiliza en medicina para mejorar las imágenes de resonancia magnética. Se administra en forma de compuesto complejado para evitar efectos tóxicos.
Solo existe un mineral en el que el gadolinio es el componente principal, la lepersonnita-(Gd). Se extrae esencialmente de dos minerales. Se trata de la monacita (Ce,La,Th,Nd,Y)PO4 y la bastnasita (Ce,La,Y)CO3F. Estos minerales se explotan a menudo por su contenido en tierras raras, que tienen numerosas aplicaciones industriales, como la fabricación de baterías, materiales electrónicos y equipos médicos.
El gadolinio Gd3+ se emplea comúnmente como agente de contraste en imágenes por resonancia magnética (IRM) para mejorar la calidad de las imágenes producidas durante el examen. Se asocia con otras sustancias (quelantes) para atenuar los efectos tóxicos que tiene sobre las células humanas. Al ser el ion Gd3+ cercano al ion calcio, puede fácilmente reemplazarlo en el organismo. Esta sustitución puede tener efectos más o menos graves sobre el organismo, dependiendo de la dosis inyectada. Así, si se administra una dosis elevada del ion Gd3+, puede provocar efectos indeseados sobre el ritmo cardíaco y otras funciones biológicas.
Para ser utilizado como agente de contraste en imagen médica, el gadolinio es complejado con una molécula llamada quelato, volviéndolo inerte y menos tóxico. Cuando se administra en esta forma, una cantidad importante de gadolinio se retiene en ciertas áreas del cerebro, especialmente el núcleo dentado y el globo pálido. El sistema glinfático se encarga de la absorción y eliminación de los agentes de contraste a base de gadolinio administrados por vía intravenosa. Se trata del sistema de limpieza y drenaje del cerebro, que permite la eliminación de desechos metabólicos y toxinas del cerebro.
La administración del gadolinio en IRM también puede hacerse a partir de una inyección intratecal. Se trata de una vía de administración que permite entregar el agente de contraste directamente a nivel de la médula espinal. Sin embargo, cuando estas dosis son demasiado elevadas (superiores a 1 mmol), pueden causar complicaciones neurológicas graves y potencialmente mortales.
Existen dos tipos de agentes de contraste a base de gadolinio (GBCA): los agentes lineales y los agentes macrocíclicos. Los agentes lineales tienen una estructura química más simple y menos estable que los agentes macrocíclicos. Estudios in vitro han demostrado que los agentes lineales eran más tóxicos para las células nerviosas que los agentes macrocíclicos. El uso de Omniscan y Magnevist, agentes de contraste lineales de gadolinio, fue suspendido por la Agencia Europea de Medicamentos (AEM) en 2017, debido a preocupaciones sobre su seguridad. Por otro lado, el uso de agentes macrocíclicos sigue autorizado en Francia a dosis bajas, y solo cuando el diagnóstico lo requiere.
Los GBCA se consideran nefrotóxicos. Pueden dañar los riñones y provocar insuficiencia renal. Los pacientes con insuficiencia renal preexistente están particularmente en riesgo. Además, los GBCA pueden provocar una reacción inflamatoria en algunos pacientes, que puede manifestarse con síntomas como enrojecimiento, picazón, dolor e hinchazón. El uso de GBCA puede provocar fibrosis nefrogénica sistémica (FNS) en algunos casos. Esta enfermedad rara afecta a los tejidos del cuerpo, incluyendo la piel, los músculos y los órganos internos, y puede ser mortal en pacientes con insuficiencia renal.
Los resultados de un estudio sugieren que el uso repetido de agentes de contraste para IRM podría estar asociado con efectos negativos sobre las capacidades verbales. También conlleva un riesgo de confusión en algunos pacientes.
Otro estudio realizado en Dinamarca sobre el uso de GBCA reveló un total de 11,6 casos de FNS por millón en el país, y 6,1 casos sospechosos sin examinar. Esta tasa es más alta que en otros países que utilizan gadolinio en cantidad similar. Los autores del estudio sugieren que la enfermedad está subdiagnosticada en otros países debido a la falta de conocimiento de los médicos. Sin embargo, los hospitales daneses han utilizado técnicas de diagnóstico avanzadas, como la espectrometría de masas. Estas permiten identificar la presencia de gadolinio en las biopsias cutáneas de pacientes con FNS.
Científicos han descubierto que las vieiras, que se pueden encontrar en aguas costeras, contienen gadolinio. Utilizaron un espécimen de molusco bivalvo que cubre un período de treinta años para estudiar la evolución de la cantidad de gadolinio en las conchas. También se basaron en datos de la Seguridad Social francesa para evaluar el consumo de gadolinio por IRM en Francia. Los científicos constataron un aumento de la cantidad de gadolinio presente en las vieiras a lo largo del tiempo. Este aumento está relacionado con el uso creciente de productos de contraste a base de gadolinio en medicina.
Existen otras alternativas a los agentes de contraste a base de gadolinio en IRM. Los agentes de contraste a base de manganeso (Mn2+), como el MnLMe o el Mn-PyC3A, son actualmente objeto de investigación. El manganeso es eliminado más rápidamente por los riñones que el ácido gadotérico, que también es un agente de contraste utilizado en IRM. El cerebro también retiene menos manganeso que ácido gadotérico, dado que el manganeso puede ser absorbido por otros órganos y tejidos corporales. Además, el manganeso está presente naturalmente en el mundo vegetal (0,36 a 10 mg/kg) y animal (0,05 a 16,60 mg/kg).
El hierro (Fe3+) es un ion que posee cuatro electrones no apareados. Sin embargo, comparado con el ácido gadotérico (Gd3+), que posee siete electrones no apareados, y el manganeso (Mn2+), que posee cinco, el momento magnético del ion Fe3+ es menos intenso. Es por eso que el hierro también puede ser utilizado como agente de contraste en imagen médica, pero es menos eficaz que sus similares.
El gadolinio se añade a menudo como aditivo en los aceros de cromo para mejorar sus propiedades de transformación. En general, su adición se realiza hasta un máximo del 1%. Ayuda a aumentar la dureza, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la oxidación del acero.
El granate de gadolinio-galio (GGG) se utiliza en la fabricación de láseres cuando está dopado con iones de neodimio, iterbio o disprosio. El GGG es un cristal transparente que posee excelentes propiedades ópticas. Sirve como sustrato para el crecimiento de capas finas de materiales magnéticos, útiles para dispositivos electrónicos y tecnologías emergentes. Actualmente, se están realizando trabajos para crear láseres de rayos X utilizando cristal de Nd:GGG.
El gadolinio se utiliza en algunos reactores nucleares en forma oxidada (Gd2O3). El objetivo de este uso es controlar la reactividad del reactor explotando las propiedades neutrófagas de los isótopos 155Gd y 157Gd. Estos isótopos tienen grandes secciones eficaces de captura neutrónica, respectivamente de 61 kilobarnios y 254 kilobarnios. Al capturar neutrones, estos últimos se transforman en isótopos 156Gd y 158Gd, que, según sus secciones eficaces, no son absorbentes. El comportamiento del gadolinio bajo irradiación es particular debido al efecto de piel. El neutrón del gadolinio solo es eficaz hasta un punto de ruptura determinado. Además, el gadolinio tiene una vida útil limitada en el reactor y debe ser reemplazado periódicamente.
En 2019, el agua del Super-Kamiokande, un detector de neutrinos japonés, fue dopada con gadolinio. La adición de este producto de contraste IRM permite a los científicos detectar los neutrones producidos por las colisiones entre las partículas emitidas durante reacciones nucleares (antineutrinos) y los protones presentes en las moléculas de agua. Este proceso puede ayudar a comprender mejor las reacciones nucleares que se producen en las estrellas.
El gadolinio es uno de los materiales más comúnmente utilizados en la tecnología de refrigeración magnética debido a su alta capacidad relacionada con el efecto magnetocalórico (EMC). Esta propiedad física permite que el material se enfríe cuando se expone a un campo magnético y se caliente nuevamente cuando se retira.
El gadolinio es un elemento utilizado como material fosforescente en los tubos catódicos, presente en los televisores y monitores de ordenador CRT (Cathode Ray Tube).
Finalmente, el gadolinio se emplea en la fabricación de aleaciones superconductoras debido a sus propiedades magnéticas específicas.
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