Гидрогелевая инкапсуляция квантовых точек

Поведение квантовых точек (КТ) в растворе и их взаимодействие с другими поверхностями имеет большое значение для биологических и промышленных применений, таких как оптические дисплеи, маркировка животных , красители и краски для защиты от подделок, химическое зондирование и флуоресцентная маркировка . на водной основе Однако немодифицированные квантовые точки имеют тенденцию быть гидрофобными, что исключает их использование в стабильных коллоидах . Более того, поскольку отношение площади поверхности к объему в квантовой точке намного выше, чем у более крупных частиц, термодинамическая свободная энергия, с оборванными связями на поверхности, достаточна, чтобы препятствовать квантовому ограничению экситонов связанная . После растворения путем инкапсуляции в гидрофобную внутреннюю мицеллу или гидрофильную внешнюю мицеллу КТ могут быть успешно введены в водную среду, в которой они образуют протяженную гидрогелевую сетку. В этой форме квантовые точки можно использовать в нескольких приложениях, использующих их уникальные свойства, таких как медицинская визуализация и термическое разрушение злокачественных опухолей. ^{[ 1 ]}

Квантовые точки

Квантовые точки (КТ) представляют собой наноразмерные полупроводниковые частицы порядка 2–10 нм в диаметре. Они обладают электрическими свойствами, средними по свойствам у объемных полупроводников и отдельных молекул, а также оптическими характеристиками, которые делают их пригодными для применений, где флуоресценция желательна , например, для медицинской визуализации. Большинство КТ, синтезированных для медицинской визуализации, имеют форму частиц ядра (оболочки) CdSe(ZnS). CdSe обладают оптическими свойствами, превосходящими органические красители. Было показано, что КТ ^{[ 2 ]} Оболочка ZnS имеет двойной эффект:

взаимодействовать с оборванными связями , что в противном случае привело бы к агрегации частиц, потере визуального разрешения и импедансу квантового ограничения. эффектов
для дальнейшего увеличения флуоресценции самих частиц. ^{[ 3 ]}

Проблемы с квантовыми точками CdSe(ZnS)

для методов медицинской визуализации, их использование in vivo затруднено цитотоксичностью кадмия Несмотря на их потенциал для использования в качестве контрастных веществ . Для решения этой проблемы были разработаны методы «обертывания» или «инкапсулирования» потенциально токсичных КТ в биоинертные полимеры для облегчения их использования в живых тканях. Хотя КТ, не содержащие Cd, коммерчески доступны, они непригодны для использования в качестве замены органических контрастов. ^{[ 4 ]} Еще одной проблемой наночастиц CdSe(ZnS) является значительная гидрофобность , которая препятствует их способности проникать в раствор с водными средами, такими как кровь или спинномозговая жидкость . определенные гидрофильные Для придания точкам водорастворимости можно использовать полимеры.

Синтез герметизирующего полимера

Структура R _f -полимера, используемого для гидрогелевой инкапсуляции квантовых точек. На рисунке указаны гидрофобные и гидрофильные области полимера.

Синтез R _f -ПЭГ

Один из примечательных методов инкапсуляции квантовых точек включает использование молекулы полиэтиленгликоля с двойными фторалкильными концами (R _f -PEG) в качестве поверхностно-активного вещества, которое будет спонтанно образовывать мицеллярные структуры при критической концентрации мицелл (ККМ). Критическая концентрация мицелл R _f -ПЭГ зависит от длины ПЭГ-части полимера. Эта молекула состоит из гидрофильной основной цепи ПЭГ с двумя гидрофильными концевыми группами (C _n F _2n+1 -CH ₂ CH ₂ O), присоединенными через диуретан изофорона. ^{[ 5 ]} Его синтезируют путем обезвоживания раствора 1,3-диметил-5-фторурацила и ПЭГ, смешивания их в присутствии тяжелой воды (D ₂ O) с помощью ультразвукового аппарата для последующего объединения. ^{[ 6 ]}

Мицеллизация

При соответствующей температуре Крафта и критической концентрации мицелл эти молекулы будут образовывать отдельные каплевидные петли, где гидрофобные концы притягиваются друг к другу, к другим молекулам, а также к аналогичным гидрофобным КТ. При этом образуется нагруженная мицелла с гидрофильной внешней оболочкой и гидрофобным ядром. ^{[ 6 ]}

При инкапсулировании гидрофобов таким способом важно убедиться, что размер частиц соответствует используемой основной цепи ПЭГ, поскольку количество мерных единиц ПЭГ (обычно с молекулярной массой 6 кДа или 10 кДа) определяет максимальный размер частиц, которые могут быть инкапсулированы. успешно удерживаться в ядре мицеллы.

Для определения среднего диаметра D КТ используется следующее эмпирическое уравнение:

{D=\ }{(1.6122\times 10^{-9})\lambda ^{4}}-{(2.66575\times 10^{-6})\lambda ^{3}}+{(1.6242\times 10^{-3})\lambda ^{2}}-{(0.4277)\lambda }+{41.57}

Где

$D$ — диаметр КТ CdSe в нм
$\lambda$ — длина волны первого пика поглощения в нм

Роль оболочки ZnS

Именно при инкапсуляции оболочка ZnS играет особенно важную роль, поскольку она помогает предотвратить агломерацию частиц CdSe, не имевших оболочки, занимая ранее упомянутые связи на поверхности точки; однако комкование все же может происходить из-за вторичных сил, возникающих из-за общей гидрофобности. Это может привести к появлению нескольких частиц внутри каждой мицеллы, что может отрицательно повлиять на общее разрешение. По этой причине для достижения оптимальных свойств визуализации необходимо несколько комбинаций длины цепи ПЭГ и диаметра частиц.

Гидрогелевая сеть

После первоначальной инкапсуляции оставшиеся молекулы образуют связи между отдельными мицеллами, образуя сеть внутри водной среды, называемую гидрогелем , создавая диффузную и относительно постоянную концентрацию инкапсулированных частиц внутри геля. Образование гидрогелей — явление, наблюдаемое в сверхабсорбирующих полимерах , или «порошках для слякоти», в которых полимер, часто в форме порошка, поглощает воду, становясь до 99% жидким и в 30-60 раз больше по размеру. ^{[ 7 ]}

Уравнение Стокса-Эйнштейна

Коэффициент диффузии сферических частиц в суспензии аппроксимируется уравнением Стокса–Эйнштейна : ^{[ 6 ]}

D={k_{\text{B}}T \over \ 6\pi r\eta },

где

$T$ это температура
$r$ это радиус частицы
$k_{\text{B}}$ — постоянная Больцмана
$\eta$ вязкость гидрогеля

Типичный коэффициент диффузии гидрогеля Rf _- PEG для квантовых точек размером 2 нм составляет порядка 10. ⁻¹⁶ м ²/с, поэтому суспензии квантовых точек имеют тенденцию быть очень стабильными. Вязкость гидрогеля можно определить с помощью реологических методов.

Реология мицелл

При инкапсулировании гидрофобных или потенциально токсичных материалов важно, чтобы инкапсулянт оставался неповрежденным внутри тела. Изучение реологических свойств мицелл позволяет идентифицировать и выбрать полимер, наиболее подходящий для долгосрочного биологического применения. Rf _- PEG проявляет превосходные реологические свойства при использовании in vivo .

Важность длины полимера

На свойства полимера влияет длина цепи. Правильная длина цепочки гарантирует, что герметик не высвободится с течением времени. Предотвращение выброса КТ и других токсичных частиц имеет решающее значение для предотвращения непреднамеренного некроза клеток у пациентов. Длина полимера контролируется двумя факторами:

Масса основной цепи ПЭГ, измеренная в дальтонах или килодальтонах (Да или кДа),
Длина гидрофобных концов обозначается числом атомов углерода в концевой группе (C#).

Увеличение длины ПЭГ увеличивает растворимость полимера. Однако если цепь ПЭГ слишком длинная, мицелла станет нестабильной. Было замечено, что стабильный гидрогель может быть образован только с остовами ПЭГ весом от шести до десяти килодальтон. ^{[ 8 ]}

С другой стороны, увеличение длины гидрофобных концевых групп снижает растворимость в воде. При заданной массе ПЭГ, если гидрофоб слишком короткий, полимер просто растворится в растворе, а если он слишком длинный, полимер не растворится вообще. Как правило, две концевые группы приводят к наибольшей конверсии в мицеллы (91%): ^{[ 8 ]}

$C_{10}F_{21}$
$C_{8}F_{17}$

Жидкость Максвелла

При молекулярной массе от 6 до 10 килодальтон гидрогель Rf _- PEG действует как материал Максвелла , что означает, что жидкость обладает как вязкостью , так и эластичностью . Это определяется путем измерения модуля плато, модуль упругости вязкоупругого полимера является постоянным или «расслабленным» при деформации в диапазоне частот посредством колебательной реологии. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} При построении графика интегралов первого и второго порядка значений модуля получается график Коула-Коула , который при подгонке к модели Максвелла обеспечивает следующую зависимость:

{G^{\prime \prime }(\omega )=\ }[G^{\prime }(\omega )G_{0}-{G^{\prime }(\omega )}^{2}]^{-{1 \over 2}}

Где

$G_{0}$ модуль плато
$\omega$ частота колебаний в радианах в секунду

Механические свойства обычных молекул R _f -ПЭГ

На основе максвелловского поведения гидрогеля и наблюдений за эрозией посредством поверхностного плазмонного резонанса (SPR) получены следующие данные для трех распространенных _{R f -PEG в их указанных концентрациях:} типов ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Свойство	10КС10	10КС8	6КС8
${\text{Composition}}\ (wt\%)$	6.8	6.5	11.0
${\text{Relaxation Time}}\ (\tau _{r})\ (s)$	1.2	0.029	0.023
${\text{Plateau Modulus}}\ (G_{o})\ (kPa)$	14.4	18.5	56.1
${\text{Viscosity}}\ (\eta _{o})\ (kPa\cdot s)$	18	0.53	1.5
${\text{Conversion Percent}}\ (\%)$	94	94	89

X KC Y обозначает X тысяч дальтонов молекулярной массы и Y атомов углерода .

Эти значения могут дать нам информацию о степени перепутывания (или степени сшивки, в зависимости от того, какой полимер рассматривается). Как правило, более высокая степень перепутывания приводит к увеличению времени, необходимого для возврата полимера в недеформированное состояние, или к увеличению времени релаксации .

Приложения

Инкапсуляция КТ гидрогелем открывает новые возможности применения, такие как:

Биосенсоры

Ферменты и другие биологически активные молекулы служат единицами биораспознавания, а КТ — сигнальными единицами. Добавляя ферменты в сеть гидрогеля КТ, обе единицы можно объединить в биосенсор . Ферментативная реакция, которая обнаруживает конкретную молекулу, приводит к тушению флуоресценции КТ. Таким образом, можно наблюдать расположение интересующих молекул. ^{[ 13 ]}

Влияние клеток и визуализация

Добавление наночастиц оксида железа к мицеллам КТ позволяет им быть флуоресцентными и магнитными. Эти мицеллы можно перемещать в магнитном поле, создавая градиенты концентрации, которые будут влиять на клеточные процессы. ^{[ 14 ]}

Золотая гипертермия

При возбуждении излучением высокой энергии, например лазером, наночастицы золота излучают тепловое поле. Это явление можно использовать как форму гипертермической терапии для уничтожения злокачественных опухолей без повреждения окружающих тканей. В сочетании с КТ в гидрогеле это может облегчить мониторинг лечения опухоли в режиме реального времени. ^{[ 15 ]}

См. также

Ссылки

^ Глейзер, ES; С.А. Керли (июль 2010 г.). «Термическая цитотоксичность, индуцированная радиочастотным полем, в раковых клетках, обработанных флуоресцентными наночастицами» . Рак . 116 (13): 3285–93. дои : 10.1002/cncr.25135 . ПМЦ 2928886 . ПМИД 20564640 .
^ Реш-Генгер, Юте; Граболь; Кавальер Жарико; Ничке; Нанн (август 2008 г.). «Квантовые точки против органических красителей как флуоресцентных меток». Природные методы . 5 (9): 763–775. дои : 10.1038/nmeth.1248 . ПМИД 18756197 . S2CID 9007994 .
^ Энджелл, Джошуа. «Синтез и характеристика квантовых точек ядро-оболочка CdSe-ZnS». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Джин, Шан; Яньси Ху; Чжаньцзюнь Гу; Лэй Лю; Хай-Чен Ву (июль 2011 г.). «Применение квантовых точек в биологической визуализации» . Журнал наноматериалов . 2011 : 1–13. дои : 10.1155/2011/834139 .
^ Лундберг, диджей; Р. Г. Браун; Дж. Э. Гласс; Р. Р. Эли (1994). «Синтез, характеристика и реология раствора модельных гидрофобно-модифицированных водорастворимых этоксилированных уретанов». Ленгмюр . 10 (9): 3027–3034. дои : 10.1021/la00021a028 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Матиас, Эррол В.; Джулия Апонте; Джулия А. Корнфилд ; Ён Ба (октябрь 2010 г.). «Свойства низкомолекулярной загрузки и диффузии лекарственного средства во фторированном ПЭГ-гидрогеле, изученные с помощью 1H-ЯМР молекулярной диффузии и 19F-ЯМР спин-диффузии» . Коллоидная и полимерная наука . 288 (18): 1655–1663. дои : 10.1007/s00396-010-2304-9 . ПМЦ 2982959 . ПМИД 21170115 .
^ Хори, К. и др. , 890.
^ Jump up to: ^а ^б Тэ, Гиюнг; Джулия А. Корнфилд; Джеффри А. Хаббелл; Дитхельм Йоханнсманн; Тио Э. Хоген-Эш (май 2001 г.). «Гидрогели с контролируемыми характеристиками поверхностной эрозии в результате самосборки поли(этиленгликоля) с фторалкильными концевыми группами». Макромолекулы . 34 (18): 6409–6419. Бибкод : 2001МаМол..34.6409Т . дои : 10.1021/ma0107511 .
^ Висс, Ганс; Райан Дж. Ларсон; Дэвид А. Вайц (2007). «Колебательная реология: измерение вязкоупругого поведения мягких материалов» (PDF) . Лаборатория ГИТ . 3 (4): 68–70.
^ Рубинштейн, Майкл; Добрынин, Андрей В. (1997). «Растворы ассоциативных полимеров» . Тенденции в науке о полимерах . 5 (6): 181.
^ Ауст Э.Ф., Ито С., Саводный М., Нолл В. (1994). «Поверхностная плазмонная и управляемая оптическая волновая микроскопия» . Сканирование . 16 (3): 353–362.
^ Тэ, Г.; Дж. А. Корнфилд; Дж. А. Хаббелл; Дитхельм Йоханнсманн (17 сентября 2002 г.). «Аномальная сорбция в тонких пленках поли(этиленгликолей) с фторалкильными концевыми группами». Ленгмюр . 18 (21): 8241–8245. дои : 10.1021/la020255l .
^ Юань, Цзипэй; Дэн Вен; Николай Гапоник; Александр Эйхмюллер (22 ноября 2012 г.). «Инкапсулирующие ферменты гидрогели и ксерогели с квантовыми точками в качестве биосенсоров: многофункциональные платформы как для биокатализа, так и для флуоресцентного зондирования». Angewandte Chemie, международное издание . 52 (3): 976–979. дои : 10.1002/anie.201205791 . ПМИД 23172829 .
^ Рулье, Виктор; Фабьен Грассе; Фузия Бульмедэ; Франк Арцнер; Оливье Кадор; Валери Марчи-Арцнер (15 октября 2008 г.). «Маленькие биоактивированные мицеллы с магнитными квантовыми точками» (PDF) . Химия материалов . 20 (21): 6657–6665. дои : 10.1021/cm801423r . Проверено 8 июня 2013 г.
^ Хафф, Терри; Лин Тонг; Ян Чжао; Мэтью Хансен; Цзинь-Синь Ченг; Александр Вэй (2007). «Гипертермическое воздействие золотых наностержней на опухолевые клетки» (PDF) . Наномедицина . 2 (1): 125–132. дои : 10.2217/17435889.2.1.125 . ПМК 2597406 . ПМИД 17716198 .

[1] Глейзер, ES; С.А. Керли (июль 2010 г.). «Термическая цитотоксичность, индуцированная радиочастотным полем, в раковых клетках, обработанных флуоресцентными наночастицами» . Рак . 116 (13): 3285–93. дои : 10.1002/cncr.25135 . ПМЦ 2928886 . ПМИД 20564640 .

[2] Реш-Генгер, Юте; Граболь; Кавальер Жарико; Ничке; Нанн (август 2008 г.). «Квантовые точки против органических красителей как флуоресцентных меток». Природные методы . 5 (9): 763–775. дои : 10.1038/nmeth.1248 . ПМИД 18756197 . S2CID 9007994 .

[3] Энджелл, Джошуа. «Синтез и характеристика квантовых точек ядро-оболочка CdSe-ZnS». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[4] Джин, Шан; Яньси Ху; Чжаньцзюнь Гу; Лэй Лю; Хай-Чен Ву (июль 2011 г.). «Применение квантовых точек в биологической визуализации» . Журнал наноматериалов . 2011 : 1–13. дои : 10.1155/2011/834139 .

[5] Лундберг, диджей; Р. Г. Браун; Дж. Э. Гласс; Р. Р. Эли (1994). «Синтез, характеристика и реология раствора модельных гидрофобно-модифицированных водорастворимых этоксилированных уретанов». Ленгмюр . 10 (9): 3027–3034. дои : 10.1021/la00021a028 .

[Mathias-6] Jump up to: ^а ^б ^с Матиас, Эррол В.; Джулия Апонте; Джулия А. Корнфилд ; Ён Ба (октябрь 2010 г.). «Свойства низкомолекулярной загрузки и диффузии лекарственного средства во фторированном ПЭГ-гидрогеле, изученные с помощью 1H-ЯМР молекулярной диффузии и 19F-ЯМР спин-диффузии» . Коллоидная и полимерная наука . 288 (18): 1655–1663. дои : 10.1007/s00396-010-2304-9 . ПМЦ 2982959 . ПМИД 21170115 .

[7] Хори, К. и др. , 890.

[Tae-8] Jump up to: ^а ^б Тэ, Гиюнг; Джулия А. Корнфилд; Джеффри А. Хаббелл; Дитхельм Йоханнсманн; Тио Э. Хоген-Эш (май 2001 г.). «Гидрогели с контролируемыми характеристиками поверхностной эрозии в результате самосборки поли(этиленгликоля) с фторалкильными концевыми группами». Макромолекулы . 34 (18): 6409–6419. Бибкод : 2001МаМол..34.6409Т . дои : 10.1021/ma0107511 .

[9] Висс, Ганс; Райан Дж. Ларсон; Дэвид А. Вайц (2007). «Колебательная реология: измерение вязкоупругого поведения мягких материалов» (PDF) . Лаборатория ГИТ . 3 (4): 68–70.

[10] Рубинштейн, Майкл; Добрынин, Андрей В. (1997). «Растворы ассоциативных полимеров» . Тенденции в науке о полимерах . 5 (6): 181.

[11] Ауст Э.Ф., Ито С., Саводный М., Нолл В. (1994). «Поверхностная плазмонная и управляемая оптическая волновая микроскопия» . Сканирование . 16 (3): 353–362.

[12] Тэ, Г.; Дж. А. Корнфилд; Дж. А. Хаббелл; Дитхельм Йоханнсманн (17 сентября 2002 г.). «Аномальная сорбция в тонких пленках поли(этиленгликолей) с фторалкильными концевыми группами». Ленгмюр . 18 (21): 8241–8245. дои : 10.1021/la020255l .

[13] Юань, Цзипэй; Дэн Вен; Николай Гапоник; Александр Эйхмюллер (22 ноября 2012 г.). «Инкапсулирующие ферменты гидрогели и ксерогели с квантовыми точками в качестве биосенсоров: многофункциональные платформы как для биокатализа, так и для флуоресцентного зондирования». Angewandte Chemie, международное издание . 52 (3): 976–979. дои : 10.1002/anie.201205791 . ПМИД 23172829 .

[14] Рулье, Виктор; Фабьен Грассе; Фузия Бульмедэ; Франк Арцнер; Оливье Кадор; Валери Марчи-Арцнер (15 октября 2008 г.). «Маленькие биоактивированные мицеллы с магнитными квантовыми точками» (PDF) . Химия материалов . 20 (21): 6657–6665. дои : 10.1021/cm801423r . Проверено 8 июня 2013 г.

[15] Хафф, Терри; Лин Тонг; Ян Чжао; Мэтью Хансен; Цзинь-Синь Ченг; Александр Вэй (2007). «Гипертермическое воздействие золотых наностержней на опухолевые клетки» (PDF) . Наномедицина . 2 (1): 125–132. дои : 10.2217/17435889.2.1.125 . ПМК 2597406 . ПМИД 17716198 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]