Mod højkvalitets zinkoxid kvanteprikker til biomedicinske applikationer

Nanokrystallinsk zinkoxid (ZnO) er i øjeblikket et af de mest almindeligt anvendte nanomaterialer i halvledermetalloxid på grund af dets unikke katalytiske og elektro-optiske egenskaber. De iboende og karakteristiske fysisk-kemiske egenskaber af ZnO nanostrukturer er afhængige af en række faktorer, der bestemmes af den anvendte syntetiske procedure og karakteren af ​​den resulterende nanokrystal-ligand-grænseflade. Dermed, forberedelse af stabile ZnO nanostrukturer, især nanopartikler med størrelser under 10 nm, dvs. kvanteprikker (QD'er), med ønskede fysisk -kemiske egenskaber er stadig en kæmpe udfordring for kemikere.

For nylig, forskere fra Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi (IPC PAS) og Warszawa teknologiske universitet (WUT) i samarbejde med det tværfaglige forskningsinstitut i Grenoble (IRIG) brugte dynamisk atompolarisering (DNP) -forbedret nuklear magnetisk solid state resonans (NMR) spektroskopi til detaljeret karakterisering af de organisk-uorganiske grænseflader af ZnO QD'er fremstillet ved den traditionelle sol-gel proces og den nyligt udviklede one-pot selvbærende organometallic (OSSOM) procedure. Parallelt, undersøgelser blev udført på design og fremstilling af biostabile ZnO QD'er sammen med bestemmelsen af ​​deres struktur-biologiske aktivitetsforhold. Disse undersøgelser blev publiceret i højtydende tidsskrifter Angewandte Chemie og Videnskabelige rapporter .

"Vi ville utvetydigt bekræfte, at ZnO QD'er, der er forberedt i vores laboratorium ved hjælp af OSSOM -metoden, er af hidtil uset høj kvalitet, "fortæller medforfatter til begge artikler, Dr. Magorzata Wolska-Pietkiewicz. "Indtil nu, ZnO QD'er er almindeligvis blevet fremstillet ved en sol-gel-proces. Imidlertid, den største ulempe ved denne traditionelle metode er den lave reproducerbarhed, hvilket sandsynligvis hæmmer både ensartetheden af ​​partikelmorfologi og organisk ligandskalsammensætning. Følgelig, de resulterende nanostrukturer er i det væsentlige ustabile og har tendens til at aggregere. Efter min mening, dette har betydeligt begrænset potentielle anvendelser af nanokrystallinsk ZnO i forskellige teknologier, "tilføjer Dr. Wolska-Pietkiewicz.

"Et alternativ til den allestedsnærværende sol-gel-metode er meget lovende våd-organometalliske tilgange. Nyligt udviklet i vores laboratorium, OSSOM-proceduren er baseret på kontrolleret eksponering af et veldefineret organozinkprecursor til luft. OSSOM-processen er termodynamisk styret og foregår ved stuetemperatur, " siger professor Janusz Lewinski. For at fremhæve overlegenheden af ​​den organometalliske tilgang til fremstilling af ZnO QD'er, både de proceduredrevne egenskaber såvel som strukturerne af de organiske ligandskaller af QD'er fremstillet ved både OSSOM-tilgangen og sol-gel-proceduren blev sammenlignet. Til dette formål anvendte forskere DNP-NMR-metoden, som er ved at blive udviklet i gruppen af ​​Dr. Gaël De Paëpe (IRIG).

"Denne NMR-teknik giver os mulighed for at studere nanomaterialers grænseflader med atomær præcision og dermed demonstrere forskellen mellem testede materialer, " fortsætter Dr. Daniel Lee og tilføjer, at evnen til at bestemme den nøjagtige karakter og struktur af grænsefladen giver et værdifuldt indblik i fremtidige designs for nye og fuldt stabile funktionelle nanomaterialer. DNP-NMR-målinger er relativt hurtige og tager kun et par timer. Det er virkelig ikke meget, især sammenlignet med konventionel NMR-spektroskopi, hvilket (ved målinger med sammenlignelig opløsning) ville kræve ... omkring et år.

"The OSSOM method leads to the formation of ZnO QDs coated with strongly anchored and highly-ordered organic coatings. Contrastingly, on the surface of sol-gel derived ZnO nanostructures, coating ligand molecules are randomly distributed, " Dr. Wolska-Pietkiewicz points out. What is more, ligands could be easily removed from the surface of QDs derived from sol-gel process, changing the properties of the resulting nanomaterial. "In our method, the surface is super-protected, and QDs are stable. Som resultat, the OSSOM approach affords high-quality ZnO QDs with unique physicochemical properties, which are prospective for biological applications, " adds Dr. Wolska-Pietkiewicz.

Why is it so important?

"This preliminary study has only just scratched the surface (pun intended) of what can be achieved, " says Dr. Lee. "We have shown that being able to study nanomaterials' surface stability at an atomic scale enables the understanding of how to provide their stability, which is extremely important from the point of view of subsequent applications:from sensors and optical devices to targeted drug delivery and nanomedicines."

"In the near future, we could design, for eksempel, safe and effective drug nanocarriers for cancer therapies, in which we would be able to deposit appropriately selected, active molecules within our ordered organic layer. Positioning is important especially for targeted therapies, f.eks. fotodynamisk terapi, because it allows the drug to be released evenly in a particular environment and at the right speed. Ud over, owing to the achieved ligands ordering, we are able to pack a lot of active drug particles on a small carrier, " adds Professor Lewinski.