Resumen de Nanopartículas de upconversion: síntesis y aplicaciones
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Resumen En las últimas décadas la nanoquímica ha alcanzado gran interés debido a la importancia de desarrollar materiales únicos e innovadores en la escala nanométrica, específicamente nanopartículas. Las propiedades de los nanomateriales son diferentes de las de los respectivos materiales a gran escala, así la nanoquímica abre caminos innovadores en la ciencia para desarrollar materiales con nuevas propiedades y comportamientos novedosos.
Las nanopartículas de upconversion (UCNP) están compuestas por nanocristales inorgánicos que contienen lantánidos, como NaYF4 codopados con cationes lantánidos (como Er3+, Yb3+, Tm3+…). Las UCNP tienen una excelente estabilidad química, térmica y lumínica, buena biocompatibilidad, bandas de emisión estrechas, tiempos de vida de luminiscencia largos y, además, no presentan ni fotoblanqueo ni fotoparpadeo. De especial interés, su propiedad más importante es que pueden emitir en el visible tras su excitación en el infrarrojo cercano (NIR) debido a transiciones electrónicas entre sus niveles 4f. Por lo tanto, las UCNP son de gran interés en muchos campos como en seguridad, fotocatálisis, fabricación de celdas solares o sensores y, especialmente, en biomedicina (bioimagen, terapia fotodinámica…) debido a la gran profundidad de penetración de la luz NIR en los tejidos.
La nanoquímica juega un papel crucial en la fabricación de nanomateriales basados en UCNP, así como en el desarrollo de nuevas rutas sintéticas y/o en el control de los parámetros de reacción con la finalidad de obtener UCNP monodispersas y uniformes con alta eficiencia en la emisión UC. Además, la nanoquímica es importante en la ingeniería de la periferia de las UCNP, esto es la adecuada modificación y funcionalización de la periferia de las UCNP para dotarlas de las propiedades y funcionalidades deseadas.
Esta tesis está centrada en la síntesis de nuevos nanomateriales basados en nanopartículas codopadas de NaYF4 con propiedades excepcionales, así como su posterior derivatización. El análisis de reconocimiento de textura y fase (TPRA) basado en la técnica de nanodifracción electrónica se ha usado para caracterizar la geometría de las UCNP sintetizadas por el método coprecipitación a alta temperatura, el cual usa cantidades estequiométricas de NH4F. Además, se ha confirmado experimentalmente que, a pesar de las diferentes formas aparentes que mostraban las muestras (hexágonos, rods y cubos), todos los nanocristales eran prismas hexagonales en fase β. Esto es de gran relevancia ya que algunas propiedades biológicas de las nanopartículas, como su internalización en células o citotoxicidad, están gobernadas por su geometría. Además, la reproducibilidad en los experimentos biológicos es de vital importancia.
Además, se han sintetizado UCNP de NaYF4: Er3+, Yb3+ dispersables en agua y con tamaños de, aproximadamente, 30 nm, recubiertas con un derivado del polietilenglicol (PEG) y con una gran cantidad de un fotosensibilizador, específicamente un Bodipy diyodado (IBDP). El IBDP, que tiene un grupo carboxílico, se ha anclado a la superficie de la UCNP a través de su grupo carboxilato y, simultáneamente, se ha embebido en la capa de PEG. La acción combinada de la superficie de las UCNP y del PEG han facilitado la carga del IBDP para conseguir una transferencia de energía eficiente y, adicionalmente, evita la pérdida progresiva del IBDP del nanohíbrido (UCNP–IBDP@PEG).
La efectividad del nanohíbrido UCNP-IBDP@PEG en la generación de oxígeno singlete tras su excitación en el NIR con un láser de onda continua se ha demostrado con el uso de una sonda molecular. Los ensayos in vitro han demostrado que células derivadas de neuroblastoma humano (SH-SY5Y) internalizaron el nanohíbrido UCNP-IBDP@PEG, así como la baja citotoxicidad del nanohíbrido. Además, se ha observado cerca del 50% de muerte celular tras la irradiación con luz NIR (45 min, 239 mW).
Las medidas de luminiscencia de estado estacionario y de tiempo resuelto sobre este nanohíbrido y su análogo hidrofóbico, han mostrado que el estado metaestable del Yb3+, formado tras la absorción de un fotón NIR, puede desaparecer a través de dos procesos de transferencia de energía competitivos: sensibilización del IBDP tras la absorción de un segundo fotón NIR o población de los estados excitados del Er3+.
Por otra parte, la adsorción espontánea de cucurbit[n]urilos, CB[n] (n = 6, 7, y 8), sobre la superficie desnuda de las nanopartículas NaYF4: Er3+, Yb3+ dio lugar a la formación de los complejos de exclusión UCNP@CB[n]. Estos complejos han mostrado alta estabilidad así como alta emisión tras la excitación en el NIR. Como prueba de concepto, se han usado dos cromóforos tricíclicos básicos, específicamente azul de metileno y pironina Y, para demostrar que los nanohíbridos UCNP@CB[n] (n = 6 y 7) pueden formar complejos de exclusión con este tipo de cromóforos a través del portal de carbonilos libre, para dar lugar los nanohíbridos UCNP@CB@cromóforo. Esto hace posible localizar una gran concentración de los cromóforos cerca de la superficie de la UCNP y, consecuentemente, permite la transferencia de energía desde la UCNP al cromóforo.
Además, el CB[7] se ha usado para ensamblar dos tipos diferentes de nanopartículas, UCNP y nanopartículas de perovskita de CH3NH3PbBr3 (PK). Esta innovadora estrategia permite la localización de las PK firmemente y muy cerca de la superficie desnuda de las UCNP, lo que permite la obtención de nanohíbridos UCn@PKCB.
Un microscopio confocal de barrido con láser multifotónico comercial se ha usado para verificar el éxito del ensamblaje. Esta técnica ha demostrado ser útil para evaluar tiempos de vida de luminiscencia en el rango de varias decenas de microsegundos y permite la evaluación de la eficiencia de la transferencia de energía resonante no trivial desde la UCNP a la PK tras la excitación en el NIR, así como la homogeneidad de la muestra UCn@PKCB. Además, se ha demostrado la fotoestabilidad de la perovskita en estos nanohíbridos tras la irradiación prolongada del nanohíbrido con luz UV y NIR.
Y por último, pero no menos importante, las UCNP se han recubierto con una capa fina de polímero tras reemplazar el ligando oleato por el copolímero multiquelante P(MEO2MA-co-SEMA), anclado a la superficie de las UCNP a través de grupos tiolato. La presencia de las cadenas laterales de 2-(2-metoxietoxi)etilo, que se extiende hacia afuera del nanohíbrido, los hace dispersables en agua y termosensibles. Los nanohíbridos UCNP@P(MEO2MA-co-SEMA) han exhibido un incremento de la emisión 10 veces mayor, comparado con su precursor hidrofóbico en dicloromentano, y 2 veces mayor en agua.
Además, el pH modula las propiedades termosensibles de los nanohíbridos. Esto es consistente con la presencia de algunos grupos tiol en la periferia del nanohíbrido. Cabe destacar, que la emisión del nanohíbrido, así como su estabilidad, era independiente del estado de agregación (en el rango de pH y temperatura estudiado aquí). La obtención de UCNP dispersables en agua que presentan incremento de su emisión y, además, propiedades anfifílicas y termosensibles, es muy prometedor para el diseño de nanoestructuras multifuncionales para, por ejemplo, su aplicación en imagen intracelular, terapia y liberación controlada de fármacos.
- English
Abstract In the last decades nanochemistry has reached great interest due to the importance of developing innovative and unique materials at nanometric scale, specifically nanoparticles. The properties of nanomaterials differ from those at a larger scale, so nanochemistry open innovative ways in science to develop materials with new properties and novel performance.
Upconversion nanoparticles (UCNPs) are lanthanides inorganic based nanocrystals, such as NaYF4 co-doped with lanthanides cations (such as Er3+, Yb3+, Tm3+…). UCNPs display excellent chemical, thermal and photostability, good biocompatibility, narrow bandwidth, long luminescence times, no photoblinking and no photobleaching. Most importantly, they can emit in the visible after their excitation at the near-infrared (NIR) because of their intra-configurational 4f electron transitions. Hence, UCNPs are of great interest in many fields such as security, photocatalysis or sensing and specially in biomedicine (bioimaging, photodynamic therapy…) due to the high penetration depth of the NIR light in tissues.
Nanochemistry plays a crucial role in architecting UCNPs, firstly, in the development of new synthetic routes and/or control of the reaction parameters in order to achieve monodisperse and uniform UCNPs with high UC efficiency. Secondly, nanochemistry is important for surface engineering, since it deals with the convenient modification and functionalization of the UCNPs surface to provide them with desired properties and functionalities.
This thesis is focused in the synthesis of new nanomaterials based on NaYF4 co-doped nanoparticles with exceptional properties and their further derivatization. Texture and phase recognition analysis (TPRA) based on electron nanodiffraction technique is used to characterize the geometry of UCNPs synthesized by the high temperature co-precipitation strategy which uses stochiometric amounts of NH4F. Here, we confirmed experimentally that despite the apparently different shapes of samples (hexagons, rods, and cubes), all the nanocrystals are actually β-phase hexagonal prisms. This is of relevance since many biological features of nanostructures, such as cellular internalization and cytotoxicity, are governed by their geometry. In addition, reproducibility in biological experiments is paramount.
In addition, water-dispersible, ca. 30 nm-sized NaYF4: Er3+, Yb3+ UCNPs, capped with a polyethylene glycol (PEG) derivative and highly loaded with a singlet oxygen photosensitizer, specifically a diiodo-substituted Bodipy (IBDP), was synthesized. The photosensitizer, bearing a carboxylic group, was anchored to the UCNP surface and, at the same time, embedded in the PEG capping; the combined action of the UCNP surface and PEG facilitated the loading for an effective energy transfer and, additionally, avoided photosensitizer leaching from the nanohybrid (UCNP–IBDP@PEG).
The effectiveness of the nanohybrids in generating singlet oxygen after NIR excitation with a continuous wavelength laser was evidenced by using a probe molecule. In vitro assays demonstrated that the UCNP–IBDP@PEG nanohybrid was taken up by the SH-SY5Y human neuroblastoma-derived cells showing low cytotoxicity. Moreover, ca. 50% cancer cell death was observed after NIR irradiation (45 min, 239 mW·cm-2).
Steady-state and time-resolved emission studies on this nanohybrid, and on its hydrophobic analogous, shows that the Yb3+ metastable state, formed after absorption of a NIR photon, can decay via two competitive energy transfer processes: sensitization of IBDP after absorption of a second NIR photon and population of Er3+ excited states.
Moreover, spontaneous adsorption of cucurbit[n]uril, CB[n] (n = 6, 7, and 8), on the surface of naked NaYF4: Er3+, Yb3+ gave rise to UCNP@CB[n] exclusion complexes. These complexes proved to be highly stable as well as highly emissive under near-infrared excitation. By using two tricyclic basic dyes (specifically, methylene blue and pyronin Y) as a proof of concept, we demonstrate that the UCNP@CB[n] (n = 6, 7) nanohybrids can form exclusion complexes with this type of dyes via the CB carbonyl free portal, i.e., UCNP@CB@dye hybrids, thus making it possible to locate a high concentration of the dyes close to the UCNP and, consequently, leading to efficient energy transfer from the UCNP to the dye.
Furthermore, CB[7] was used to assemble two different nanoparticles, UCNPs and CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles (PK). This innovative strategy allows to anchor the perovskite nanoparticles firmly and closely to the naked UCNPs surface, thus leading to UCn@PKCB nanohybrids.
A commercial multiphoton laser scanning confocal microscope is used to demonstrate the successful assembly. This technique proves to be useful to evaluate luminescence lifetime in the range of several tens of μs and allows visualization of the extraordinarily efficient nontrivial resonance energy transfer from the upconversion nanoparticle to the perovskite after NIR excitation of the nanohybrid as well as the homogeneity of the UCn@PKCB sample. The considerable photostability of the perovskite in these nanohybrids is demonstrated by prolonged irradiation of the nanohybrid under UV light as well as under NIR light.
Last but not least, UCNPs were capped with a thin polymer shell by replacing the oleate ligand of hydrophobic UCNPs by multidentate thiolate-grafting of P(MEO2MA-co-SEMA) copolymers. The presence of the 2-(2-methoxyethoxy)ethyl side chains of MEO2MA extending out of the nanohybrid made them water-dispersible and thermosensibles. The UCNP@P(MEO2MA-co-SEMA) nanohybrids exhibited an enhanced emission by up to a factor of 10, as compared with that of their hydrophobic precursor in dichloromethane and even in water (a factor of 2).
Their thermoresponsiveness was modulated by the pH; this is consistent with the presence of some thiol groups at the nanohybrid periphery. Remarkably, the nanohybrid emission, as well as its stability, was almost independent of the aggregation state (in the basic-acid and temperature range studied here). The formation of stable water-dispersible UCNPs with enhanced emission, together with their amphiphilic and temperature-responsive polymer coating, is promising for building multifunctional nanostructures for intracellular imaging, therapy, and drug delivery.
