Nanopartikler med en kerne-skal struktur kan minimere overophedning af celler under bioimaging eksperimenter

Upconversion nanopartikler - nye typer af selvlysende nanomaterialer, der frigiver højenergifotoner efter laserlysstimulering - kan trænge dybere ind i væv og er mere fotokemisk stabile end konventionelle biobilleddannende midler. såsom kvanteprikker og organiske farvestoffer. Selvlysende nanokrystaller dopet eller imprægneret med små mængder af sjældne jordarters ytterbium (Yb) ioner er særligt effektive til foton opkonvertering. De specifikke lasere, der bruges til at excitere Yb-dotanter, imidlertid, kan også opvarme vandmolekyler i biologiske prøver, hvilket forårsager celledød eller vævsskade.

Nu, Xiaogang Liu fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore og kolleger har syntetiseret en sjælden jord-doteret nanokrystal, der kan exciteres ved bølgelængder inden for et sikrere 'biologisk vindue', takket være en lagdelt, kerne-skal design.

Luminescerende nanokrystaller kræver 'sensibiliserende' komponenter for at absorbere fotoner og overføre energi til aktivatorsteder, som udsender den ønskede lysstråling. Liu og hans kolleger undersøgte et andet dopingmiddel af sjældne jordarter, neodym (Nd), som absorberer det kortbølgede laserlys, der exciterer vandmolekyler, dermed undgå overophedningseffekter. Desværre, Nd kan kun doteres til nanokrystaller ved meget lave koncentrationer, før krydsinteraktioner med aktivatorer begynder at slukke luminescensen. Dette gør Nd-doterede nanopartikler til svage emittere sammenlignet med Yb-baserede biomarkører.

For at løse dette problem, forskerne producerede sfæriske nanopartikler indeholdende lag med stærkt forskellige koncentrationer af Nd-ioner. De dopede små mængder Nd, Yb, og aktivatorioner til nanokrystaller af natriumyttriumfluorid (NaYF4), et materiale med en stærk opkonverteringseffektivitet. Derefter syntetiserede de et skallag omkring den lavt-doterede kerne, der indeholdt en betydeligt højere Nd-dopantkoncentration på 20 procent. I dette arrangement, skallaget høster effektivt lys og overfører derefter energi til kernen, hvor lave sensibilisatorkoncentrationer minimerer luminescensreduktion (se billede).

Eksperimenterne afslørede, at kerne-skal-designet dramatisk forbedrede nanokrystallernes biobilleddannelsesevner - det nye materiale havde bedre lysindsamlingsevner end nanopartikler dopet med ren Nd eller Yb og opnåede emissionsintensiteter syv gange højere end ren NaYF4. Mekanistiske undersøgelser viste, at energioverførsel mellem Nd- og Yb-ioner i nanopartikelkernen var nøglen til at overvinde begrænsningerne ved lave dopantkoncentrationer.

Næste, holdet testede deres nye materialer ved at afbilde en række livmoderhalskræftceller. Mens typisk laserbestråling for Yb-dopede biomarkører dræbte cellerne inden for fem minutter, de kortere bølgelængder brugt til Nd-doterede kerne-skal nanopartikler holdt cellerne levedygtige over samme tid.

"Vi planlægger yderligere at forbedre opkonverteringseffektiviteten af ​​vores nanopartikler og bruge dem til både bioimaging og lægemiddellevering, " siger Liu.