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Encapsulación de puntos cuánticos en hidrogel

El comportamiento de los puntos cuánticos (QD) en solución y su interacción con otras superficies es de gran importancia para aplicaciones biológicas e industriales, como pantal...

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El comportamiento de los puntos cuánticos (QD) en solución y su interacción con otras superficies es de gran importancia para aplicaciones biológicas e industriales, como pantallas ópticas, marcaje animal , tintes y pinturas antifalsificación, detección química y marcaje fluorescente . Sin embargo, los puntos cuánticos no modificados tienden a ser hidrofóbicos, lo que impide su uso en coloides estables a base de agua . Además, debido a que la relación entre el área superficial y el volumen en un punto cuántico es mucho mayor que en partículas más grandes, la energía libre termodinámica asociada con los enlaces colgantes en la superficie es suficiente para impedir el confinamiento cuántico de los excitones . Una vez solubilizados mediante encapsulación en una micela interior hidrofóbica o una micela exterior hidrofílica , los QD pueden introducirse con éxito en un medio acuoso, en el que forman una red de hidrogel extendida . En esta forma, los puntos cuánticos pueden utilizarse en diversas aplicaciones que se benefician de sus propiedades únicas, como imágenes médicas y destrucción térmica de cánceres malignos. [ 1 ]

Puntos cuánticos

Los puntos cuánticos (QD) son partículas semiconductoras a nanoescala del orden de 2 a 10  nm de diámetro. Poseen propiedades eléctricas intermedias entre las de los semiconductores masivos y las de las moléculas individuales, así como características ópticas que los hacen adecuados para aplicaciones donde se desea fluorescencia , como la obtención de imágenes médicas. La mayoría de los QD sintetizados para imágenes médicas tienen la forma de partículas de núcleo (capa) de CdSe(ZnS). Se ha demostrado que los QD de CdSe poseen propiedades ópticas superiores a las de los colorantes orgánicos. [ 2 ] La capa de ZnS tiene un doble efecto:

  1. interactuar con enlaces colgantes que de otro modo darían lugar a la agregación de partículas , pérdida de resolución visual e impedimento de los efectos de confinamiento cuántico.
  2. para aumentar aún más la fluorescencia de las propias partículas. [ 3 ]

Problemas con los puntos cuánticos de CdSe(ZnS)

A pesar de su potencial para ser utilizados como agentes de contraste para técnicas de imágenes médicas, su uso in vivo se ve obstaculizado por la citotoxicidad del cadmio . Para abordar este problema, se han desarrollado métodos para “envolver” o “encapsular” QD potencialmente tóxicos en polímeros bioinertes para facilitar su uso en tejido vivo. Si bien los QD libres de Cd están disponibles comercialmente, no son adecuados para su uso como sustituto de contrastes orgánicos. [ 4 ] Otro problema con las nanopartículas de CdSe(ZnS) es su hidrofobicidad significativa , que dificulta su capacidad de entrar en solución con medios acuosos, como la sangre o el líquido cefalorraquídeo . Ciertos polímeros hidrofílicos podrían usarse para hacer que los puntos sean solubles en agua.

Síntesis del polímero encapsulante

Estructura del polímero Rf utilizado en la encapsulación de puntos cuánticos en hidrogel. La figura muestra las regiones hidrofóbicas e hidrofílicas del polímero.
Estructura del polímero R f utilizado en la encapsulación de puntos cuánticos en hidrogel. La figura muestra las regiones hidrofóbicas e hidrofílicas del polímero.

Síntesis de R f -PEG

Una técnica notable de encapsulación de puntos cuánticos implica el uso de una molécula de polietilenglicol con terminación de doble fluoroalquilo (R f -PEG) como surfactante, la cual formará espontáneamente estructuras micelares a su concentración micelar crítica (CMC). La concentración micelar crítica del R f -PEG depende de la longitud de la porción de PEG del polímero. Esta molécula consta de una cadena principal de PEG hidrofílica con dos grupos terminales hidrofílicos (C n F 2n+1 -CH 2 CH 2 O) unidos mediante diuretano de isoforona . [ 5 ] Se sintetiza deshidratando una solución de 1,3-dimetil-5-fluorouracilo y PEG, mezclándolos en presencia de agua pesada (D 2 O) mediante un sonicador para combinarlos. [ 6 ]

Diagrama de Rf-PEG que muestra los grupos terminales de fluoroalquilo unidos al polímero PEG mediante grupos intermedios.
Diagrama de R f -PEG que muestra los grupos terminales de fluoroalquilo unidos al polímero PEG mediante grupos intermedios.

Micelización

Micela polimérica con múltiples puntos cuánticos (QD) en su interior. El polímero se enrolla de manera que ambos extremos hidrofóbicos queden cerca de los QD y el extremo hidrofílico quede en la parte exterior de la micela para permitir su solubilidad en agua.

A la temperatura de Krafft adecuada y a la concentración micelar crítica, estas moléculas formarán bucles individuales en forma de lágrima, donde los extremos hidrofóbicos se atraen entre sí, a otras moléculas y también a los puntos cuánticos (QD) igualmente hidrofóbicos. Esto forma una micela cargada con una capa externa hidrofílica y un núcleo hidrofóbico. [ 6 ]

Al encapsular hidrófobos de esta manera, es importante asegurarse de que el tamaño de partícula sea apropiado para la estructura de PEG que se esté utilizando, ya que el número de unidades PEG mer (generalmente con un peso molecular de 6 kDa o 10 kDa) determina el tamaño máximo de partícula que se puede contener con éxito en el núcleo de la micela.

Para determinar el diámetro promedio, D, de los puntos cuánticos (QD), se utiliza la siguiente ecuación empírica:

D= (1.6122×10−9)λ4−(2,66575×10−6)λ3+(1.6242×10−3)λ2−(0,4277)λ+41,57{\displaystyle {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}}

Dónde

  • D{\displaystyle D}es el diámetro del punto cuántico de CdSe en nm
  • λ{\displaystyle \lambda }es la longitud de onda del primer pico de absorción en nm

Función de la capa de ZnS

Durante la encapsulación , la capa de ZnS desempeña un papel especialmente importante, ya que ayuda a prevenir la aglomeración de partículas de CdSe sin capa al ocupar los enlaces mencionados anteriormente en la superficie del punto cuántico. Sin embargo, la aglomeración puede ocurrir debido a fuerzas secundarias derivadas de la hidrofobicidad común. Esto puede resultar en la presencia de múltiples partículas dentro de cada micela, lo que puede afectar negativamente la resolución general. Por esta razón, se requieren múltiples combinaciones de longitud de cadena de PEG y diámetro de partícula para lograr propiedades de imagen óptimas.

Las micelas pueden entrecruzarse. Los extremos de la cadena polimérica son atraídos por dos grupos QD diferentes.

Red de hidrogel

Tras la encapsulación inicial, las moléculas restantes forman conexiones entre las micelas individuales para crear una red dentro del medio acuoso denominada hidrogel , generando una concentración difusa y relativamente constante de la partícula encapsulada dentro del gel. La formación de hidrogeles es un fenómeno observado en polímeros superabsorbentes , o «polvos superabsorbentes», en los que el polímero, a menudo en forma de polvo, absorbe agua, convirtiéndose en líquido hasta en un 99 % y aumentando su tamaño entre 30 y 60 veces. [ 7 ]

ecuación de Stokes-Einstein

La difusividad de una partícula disminuye a medida que aumenta su radio.

La difusividad de partículas esféricas en una suspensión se aproxima mediante la ecuación de Stokes-Einstein : [ 6 ]

D=kBT 6πrη,{\displaystyle D={k_{\text{B}}T \over \ 6\pi r\eta },}dónde
  • T{\displaystyle T}es la temperatura
  • r{\displaystyle r}es el radio de la partícula
  • kB{\displaystyle k_{\text{B}}}es la constante de Boltzmann
  • η{\displaystyle \eta }es la viscosidad del hidrogel

Las difusividades típicas de los hidrogeles R f -PEG para  puntos cuánticos de 2 nm son del orden de 10 −16 m 2 /s, por lo que las suspensiones de puntos cuánticos tienden a ser muy estables. La viscosidad del hidrogel se puede determinar mediante técnicas reológicas.

Reología de micelas

Al encapsular materiales hidrofóbicos o potencialmente tóxicos, es importante que el encapsulante permanezca intacto dentro del organismo. El estudio de las propiedades reológicas de las micelas permite identificar y seleccionar el polímero más adecuado para su uso en aplicaciones biológicas a largo plazo. El R f -PEG presenta propiedades reológicas superiores cuando se utiliza in vivo .

Importancia de la longitud del polímero

Las propiedades del polímero están influenciadas por la longitud de la cadena. La longitud correcta de la cadena garantiza que el encapsulante no se libere con el tiempo. Evitar la liberación de puntos cuánticos y otras partículas tóxicas es fundamental para prevenir la necrosis celular involuntaria en los pacientes. La longitud del polímero está controlada por dos factores:

  • Peso de la cadena principal de PEG medido en daltons o kilodaltons (Da o kDa),
  • Longitud de los extremos hidrofóbicos, indicada por el número de átomos de carbono en el grupo terminal (C#).

El aumento de la longitud del PEG incrementa la solubilidad del polímero. Sin embargo, si la cadena de PEG es demasiado larga, la micela se vuelve inestable. Se ha observado que un hidrogel estable solo puede formarse con cadenas principales de PEG que pesan entre seis y diez kilodaltons. [ 8 ]

Por otro lado, aumentar la longitud de los grupos terminales hidrofóbicos disminuye la solubilidad acuosa. Para un peso de PEG dado, si el hidrófobo es demasiado corto, el polímero simplemente se disolverá en la solución, y si es demasiado largo, el polímero no se disolverá en absoluto. Generalmente, dos grupos terminales dan como resultado la mayor conversión en micelas (91%): [ 8 ]

  • do10F21{\displaystyle C_{10}F_{21}}
  • do8F17{\displaystyle C_{8}F_{17}}

fluido de Maxwell

En pesos moleculares entre 6 y 10 kilodaltons, el hidrogel R f -PEG actúa como un material de Maxwell , lo que significa que el fluido tiene tanto viscosidad como elasticidad . Esto se determina midiendo el módulo de meseta, el módulo elástico para un polímero viscoelástico es constante o "relajado" cuando se deforma, en un rango de frecuencias mediante reología oscilatoria. [ 9 ] [ 10 ] Al graficar las integrales de primer y segundo orden de los valores del módulo, se obtiene un diagrama de Cole-Cole , que, cuando se ajusta a un modelo de Maxwell, proporciona la siguiente relación:

GRAMO′′(ω)= [GRAMO′(ω)GRAMO0−GRAMO′(ω)2]−12{\displaystyle {G^{\prime \prime }(\omega )=\ }[G^{\prime }(\omega )G_{0}-{G^{\prime }(\omega )}^{2}]^{-{1 \over 2}}}

Dónde

  • GRAMO0{\displaystyle G_{0}}es el módulo de meseta
  • ω{\displaystyle \omega }es la frecuencia de oscilación en radianes por segundo

Propiedades mecánicas de moléculas comunes de R f -PEG

Basándose en el comportamiento maxwelliano del hidrogel y las observaciones de erosión mediante resonancia de plasmones superficiales (SPR) , se obtienen los siguientes datos para 3 tipos comunes de R f -PEG en sus concentraciones especificadas: [ 11 ] [ 12 ]

X KC Y denota X mil daltons de masa molecular e Y átomos de carbono .

Estos valores pueden darnos información sobre el grado de entrelazamiento (o grado de reticulación, según el polímero que se esté considerando). En general, un mayor grado de entrelazamiento conlleva un mayor tiempo necesario para que el polímero vuelva a su estado no deformado o tiempos de relajación .

Aplicaciones

La encapsulación de los puntos cuánticos en hidrogel abre un nuevo abanico de aplicaciones, tales como:

  • Biosensores
Las enzimas y otras moléculas bioactivas actúan como unidades de biorreconocimiento, mientras que los puntos cuánticos (QD) funcionan como unidades de señalización. Al añadir enzimas a la red de hidrogel de QD, ambas unidades se combinan para formar un biosensor . La reacción enzimática que detecta una molécula específica provoca la extinción de la fluorescencia de los QD. De esta forma, se puede observar la ubicación de las moléculas de interés. [ 13 ]
  • Influencia celular e imágenes
La adición de nanopartículas de óxido de hierro a las micelas de puntos cuánticos permite que sean fluorescentes y magnéticas. Estas micelas pueden moverse en un campo magnético para crear gradientes de concentración que influirán en los procesos celulares. [ 14 ]
  • Hipertermia con oro
Cuando se excitan con radiación de alta energía, como la de un láser, las nanopartículas de oro emiten un campo térmico. Este fenómeno puede utilizarse como una forma de terapia de hipertermia para destruir tumores malignos sin dañar los tejidos circundantes. Al combinarse con puntos cuánticos en un hidrogel, esto podría facilitar la monitorización en tiempo real del tratamiento tumoral. [ 15 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Glazer, ES; SA Curley (julio de 2010). "Citotoxicidad térmica inducida por campo de radiofrecuencia en células cancerosas tratadas con nanopartículas fluorescentes" . Cancer . 116 ( 13): 3285–93 . doi : 10.1002/cncr.25135 . PMC 2928886. PMID 20564640 .  
  2. ↑ Resch-Genger, Ute; Grabolle; Cavaliere-Jaricot; Nitschke; Nann (agosto de 2008). "Puntos cuánticos versus tintes orgánicos como etiquetas fluorescentes". Métodos de la naturaleza . 5 (9): 763– 775. doi : 10.1038/nmeth.1248 . PMID 18756197 . S2CID 9007994 .  
  3. ↑ Angell, Joshua. "Síntesis y caracterización de puntos cuánticos de núcleo-capa de CdSe-ZnS".{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  4. ^ Jin, Shan; Yanxi Hu; Zhanjun Gu; Lei Liu; Hai-Chen Wu (julio de 2011). "Aplicación de puntos cuánticos en imágenes biológicas" . Revista de Nanomateriales . 2011 : 1– 13. doi : 10.1155/2011/834139 .
  5. ↑ Lundberg, DJ; RG Brown; JE Glass; RR Eley (1994). "Síntesis, caracterización y reología de soluciones de uretanos etoxilados hidrosolubles modificados hidrofóbicamente modelo". Langmuir . 10 (9): 3027– 3034. doi : 10.1021/la00021a028 .
  6. 1 2 3 Mathias, Errol V.; Julia Aponte; Julia A. Kornfield ; Yong Ba (octubre de 2010). "Propiedades de carga y difusión de fármacos de molécula pequeña en un hidrogel de PEG fluorado estudiadas mediante RMN de difusión molecular de 1H y RMN de difusión de espín de 19F" . Colloid and Polymer Science . 288 (18): 1655–1663 . doi : 10.1007/s00396-010-2304-9 . PMC 2982959. PMID 21170115 .  
  7. ↑ Horie, K, et al. , 890.
  8. 1 2 Tae, Giyoong; Julia A. Kornfield; Jeffry A. Hubbell; Diethelm Johannsmann; Thieo E. Hogen-Esch (mayo de 2001). "Hidrogeles con características de erosión superficial controladas a partir del autoensamblaje de poli(etilenglicol) con terminación fluoroalquílica". Macromolecules . 34 (18): 6409– 6419. Bibcode : 2001MaMol..34.6409T . doi : 10.1021/ma0107511 .
  9. ↑ Wyss, Hans; Ryan J. Larson; David A. Weitz (2007). "Reología oscilatoria: medición del comportamiento viscoelástico de materiales blandos" (PDF) . Laboratorio GIT . 3 (4): 68–70 .
  10. ↑ Rubinstein, Michael; Dobrynin, Andrey V. (1997). "Soluciones de polímeros asociativos" . Tendencias en la ciencia de los polímeros . 5 (6): 181.
  11. ↑ Aust EF, Ito S, Sawodny M, Knoll W (1994). "Microscopía de plasmones superficiales y ondas ópticas guiadas" . Scanning . 16 (3): 353– 362.
  12. ↑ Tae, G.; JA Kornfield; JA Hubbell; Diethelm Johannsmann (17 de septiembre de 2002). "Sorción anómala en películas delgadas de poli(etilenglicol) terminado en fluoroalquilo". Langmuir . 18 (21): 8241– 8245. doi : 10.1021/la020255l .
  13. ↑ Yuan, Jipei; Dan Wen; Nikolai Gaponik; Alexander Eychmuller (22 de noviembre de 2012). "Hidrogeles y xerogeles de puntos cuánticos encapsulados en enzimas como biosensores: plataformas multifuncionales para biocatálisis y detección fluorescente". Angewandte Chemie International Edition . 52 (3): 976–979 . doi : 10.1002/anie.201205791 . PMID 23172829 . 
  14. ↑ Roullier, Victor; Fabien Grasset; Fouzia Boulmedais; Franck Artzner; Olivier Cador; Valérie Marchi-Artzner (15 de octubre de 2008). "Pequeñas micelas magnéticas de puntos cuánticos bioactivadas" (PDF) . Química de los materiales . 20 (21): 6657– 6665. doi : 10.1021/cm801423r . Consultado el 8 de junio de 2013 .
  15. ↑ Huff, Terry; Ling Tong; Yan Zhao; Matthew Hansen; Jin-Xin Cheng; Alexander Wei (2007). " Efecto hipertérmico de nanobarras de oro en células tumorales" (PDF) . Nanomedicina . 2 (1): 125– 132. doi : 10.2217/17435889.2.1.125 . PMC 2597406. PMID 17716198 .