Estrategia para estabilización de nanopartículas de upconversion en medios acuosos y su excitación a 800 nm

Zusammenfassung

Actualmente existe una importante variedad de métodos sintéticos para la preparación de UCNPs, los cuales permiten controlar parámetros tales como tamaño, forma o fase de las UCNPs. A pesar de ello, la estabilidad del recubrimiento de las UCNPs en medios acuosos y, principalmente, en medios ácidos es una de las limitaciones para su uso en diversas aplicaciones biológicas o tecnológicas. Además, la longitud de onda de excitación NIR de la UCNP es relevante cuando se utilizan disoluciones acuosas, ya que la absorción del agua a 980 nm filtra la absorción del Yb3+ y causa calentamiento de la muestra, lo que es particularmente nocivo para muestras biológicas. La solución aportada en la bibliografía es utilizar Nd3+ como fotosensibilizador de Yb3+ para, finalmente, producir el proceso de emisión upconversion. Esta solución permite utilizar luz NIR a 800 nm, donde el agua presenta escasa absorción, pero requiere de síntesis de UCNPs multicapa para distanciar el Nd3+ del activador (emisor de la luz). Por lo tanto, la estabilidad y funcionalidad de la capa orgánica que recubre la UCNP, así como la excitación de la UCNP a longitudes donde no absorbe el agua, son retos importantes a abordar y requieren del diseño e ingeniería de la superficie de las UCNPs. Durante el desarrollo de esta tesis doctoral se han establecido estrategias para avanzar en la estabilidad de las UCNPs y, por tanto, su versatilidad en aplicaciones biológicas y/o tecnológicas. En los capítulos 5, 6 y 7 se describen los estudios de la estabilidad de la estructura cristalina de las UCNPs. En primer lugar, se estudió la estabilidad en medios ácidos de nanohíbridos de UCNP (específicamente, NaYF4 dopada con Yb3+ y Er+3) pasivados con el copolímero HEMA-co-AMPS (COP), capitulo 5. El recubrimiento de la superficie de la UCNP con el copolímero resultó en una estabilidad excepcional del nanohíbrido UCNP@COP en condiciones fuertemente ácidas (pH 2). La estabilidad del recubrimiento es debida a la fuerte interacción de los grupos sulfonatos (SO3-) del COP con la superficie de la UCNP. Esta fuerte interacción no se observa con otros grupos anclantes comúnmente utilizados en las UCNPs, tales como los carboxilatos, aminas o tiolatos, cuya mayor basicidad facilita su protonación en medios ácidos, disminuyendo así su capacidad de coordinación a la superficie de la UCNP. Se exploró la aplicación del nanohíbrido UCNP como sensor de pH mediante el anclaje de un colorante catiónico, específicamente azul de metileno (MB), a los grupos sulfonato en la periferia de UCNP@COP. La liberación del colorante se puede rastrear desde pH neutro hasta un pH de aproximadamente 2. La colaboración con la empresa CEINNMMAT para preparar composites luminiscentes basados en UCNPs reveló que el pasivado de las UCNPs con los recubrimientos convencionales daba lugar a composites poco luminiscentes debido al medio ácido necesario para el proceso sol-gel. Por lo que el objetivo planteado fue desarrollar UCNPs recubiertas con pequeñas moléculas que permaneciesen ancladas a la superficie de la UCNP para permitir desarrollar un composite luminiscente. En el capitulo 6 se comenta la síntesis de UCNPs de NaYF4 dopada con Yb3+ y Er3+ o Tm3+ recubiertas con ligandos orgánicos de longitud de cadena corta y de fórmula X-CH2CO-Z, donde X es un halógeno y Z es -H, -R, -COR, -OH, -NH2, -NHR, -NR2 (donde R es una cadena alquílica lineal o ramificada). La unión de estos ligandos a la superficie de las UCNP permitió desarrollar un material composite con una matriz cerámica por medio de un proceso sol-gel que requiere una etapa de drástico tratamiento ácido. Esta invención para la síntesis del composite con el material luminiscente fue patentada con éxito y se encuentra registrada en la patente internacional WO 2018/002405 A1. En el capítulo 7 se estudió cómo estabilizar el recubrimiento de las UCNPs en medios fuertemente ácidos, así como evitar la desintegración de la estructura de la UCNP en medios acuosos, proceso observado por otros autores en dispersiones de UCNP pasivadas con policarboxilatos con concentraciones inferiores a 100 g/mL . UCNPs dopadas con Yb3+ y Er3+ o Tm3+ y recubiertas con los ligandos pAMPS, PSS, PDF o PPEG fueron expuestas a condiciones fuertemente ácidas (pH 2). Las imágenes de HRTEM y los espectros de FTIR demostraron que los nanohíbridos recubiertos con pAMPS y PSS no se vieron afectados, es decir el ligando permaneció fuertemente anclado a la superficie por el grupo sulfonato. Sin embargo, bajo estas condiciones, el recubrimiento de la UCNP desaparece cuando se utiliza PDF y PPEG. Teniendo en cuenta la estabilidad de los nanohíbridos de UCNP recubiertos con pAMPS y PSS a pH 2, posteriormente se llevó a cabo un análisis para determinar la protección que estos ligandos podían proporcionar frente a la desintegración de la UCNP en medio acuoso, utilizando dispersiones muy diluidas (<10 g/mL). Con fines comparativos, los estudios fueron también realizados con la UCNP desnuda. Los análisis de ICP-masas, TEM y emisión demostraron que los recubrimientos otorgan una importante protección a las UCNP, reduciendo la pérdida de iones lantánidos y, por tanto, la desintegración de la estructura cristalina en medio acuso. En consecuencia, la intensidad de emisión de las UCNP recubiertas con estos ligandos no varía significativamente, al contrario de lo observado para las UCNP desnudas. Estos datos confirman que los recubrimientos seleccionados, ambos con grupos anclantes sulfonato, no solo otorgan dispersabilidad a las UCNP en medios acuosos, sino que además preservan la integridad de la nanopartícula en medios acuosos y evitan la toxicidad causada por la liberación de iones fluoruro. Por último, en el capitulo 8 se prepararon nanohíbridos novedosos con iones Nd3+ en la capa orgánica de la UCNP con el fin de estudiar su potencial como sensibilizador del proceso de upconversion. El objetivo era modificar la longitud de onda de irradiación de 980 nm a 800 nm evitando la síntesis de UCNPs multicapa. Se desarrolló una estrategia novedosa para anclar los átomos de Nd3+ utilizando un macrociclo orgánico, específicamente cucurbit[7]urilo (CB[7]), macromolécula simétrica, rígida y con dos portales idénticos con capacidad para anclar cationes. La unión del CB[7] a la superficie de las UCNP desnudas dio lugar a UCNP@CB[7]. La posterior adición de Nd3+ permitió la formación del nanohíbrido UCNP@CB[7]@Nd, por interacción ion-dipolo del ión lantánido con el portal libre del CB[7]. La presencia de iones Nd3+ en la capa orgánica delgada que recubre la superficie de la UCNP se confirmó por EDS. Además, las imágenes HAADF-STEM permitieron detectar la presencia de iones Nd3+ en el recubrimiento orgánico de la UCNP, a una distancia de 1 nm de la superficie de la UCNP. La excitación a 800 nm de una muestra de UCNP@CB[7]@Nd depositada en vidrio demostró la transferencia de energía Nd YbEr en el nanohíbrido, a pesar de que la UCNP presentaba una shell inactiva (NaYF4). Este es el primer ejemplo en la bibliografía que demuestra que el Nd3+ es capaz de fotosensibilizar un proceso de upconversion sin estar encapsulado en una matriz inorgánica.