Encapsulación de hidrogel de puntos cuánticos

El comportamiento de los puntos cuánticos (QD) en solución y su interacción con otras superficies es de gran importancia para las aplicaciones biológicas e industriales, como pantallas ópticas, etiquetado de animales , tintes y pinturas antifalsificación, detección química y etiquetado fluorescente . Sin embargo, los puntos cuánticos no modificados tienden a ser hidrófobos, lo que impide su uso en coloides estables a base de agua . Además, debido a que la relación entre el área de la superficie y el volumen en un punto cuántico es mucho mayor que para las 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 vezsolubilizados por encapsulación en una micela interior hidrófoba o una micela exterior hidrófila , las QD se pueden introducir con éxito en un medio acuoso, en el que forman una red de hidrogel extendida . De esta forma, los puntos cuánticos se pueden utilizar en varias aplicaciones que se benefician de sus propiedades únicas, como la obtención de imágenes médicas y la destrucción térmica de cánceres malignos. ^[1]

Puntos cuánticos

Los puntos cuánticos (QD) son partículas semiconductoras a nanoescala del orden de 2-10 nm de diámetro. Poseen propiedades eléctricas entre las de los semiconductores a granel y las moléculas individuales, así como características ópticas que los hacen adecuados para aplicaciones donde la fluorescencia es deseable, como la formación de imágenes médicas. La mayoría de las QD sintetizadas para la obtención de imágenes médicas se encuentran en forma de partículas de núcleo (caparazón) de CdSe (ZnS). Se ha demostrado que los CdSe QD poseen propiedades ópticas superiores a los tintes orgánicos. ^[2] El caparazón de ZnS tiene un efecto doble:

1. para interactuar con enlaces colgantes que de otro modo resultarían en agregación de partículas, pérdida de resolución visual e impedancia de 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 de uso 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 tejidos vivos. Si bien los QD sin Cd están disponibles comercialmente, no son adecuados para su uso como sustituto de los contrastes orgánicos. ^[4] Otro problema con las nanopartículas de CdSe (ZnS) es la hidrofobicidad significativa , que dificulta su capacidad para entrar en solución con medios acuosos, como sangre o líquido cefalorraquídeo . Cierto hidrofílico podrían usarse polímeros para hacer que los puntos sean solubles en agua.

Sintetizar el polímero encapsulante

Estructura del polímero R _f utilizado en la encapsulación de hidrogel de puntos cuánticos. La figura indica las regiones hidrofóbica e hidrofílica del polímero.

Síntesis de R _f -PEG

Una técnica notable de encapsulación de puntos cuánticos implica la utilización de una molécula de polietilenglicol con extremos de fluoroalquilo doble (R _f -PEG) como tensioactivo, que formará espontáneamente estructuras micelares en su concentración micelar crítica (CMC). La concentración de micelas crítica del _Rf -PEG depende de la longitud de la porción de PEG del polímero. Esta molécula consta de un esqueleto de PEG hidrófilo con dos grupos terminales hidrófilos (C _n F _{2n + 1} -CH ₂ CH ₂ O) unidos mediante isoforona diuretano. ^[5] Se sintetiza deshidratando una solución de 1,3-dimetil-5-fluorouracilo y PEG, mezclándolos en presencia de agua pesada (D₂ O) a través de un sonicador para combinar luego. ^[6]

Micelización

Micela de polímero con múltiples QD en el medio. El polímero se envuelve de modo que ambos extremos hidrófobos estén cerca de los QD y el extremo hidrófilo esté en el exterior de la micela para permitir la solubilidad en agua.

A la temperatura de Krafft apropiada y la concentración crítica de micelas, estas moléculas formarán bucles de lágrimas individuales, donde los extremos hidrófobos se atraen entre sí, a otras moléculas y también a los QD hidrófobos de manera similar. Esto forma una micela cargada con una capa exterior hidrófila y un núcleo hidrófobo. ^[6]

Al encapsular hidrófobos de esta manera, es importante asegurarse de que el tamaño de partícula sea apropiado para la columna vertebral de PEG que se utiliza, ya que el número de unidades de PEG mer (generalmente con un PM de 6K o 10K Daltons ) determina el tamaño máximo de partícula que se puede utilizar con éxito. contenida en el núcleo de la micela.

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

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

Donde

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

Papel del caparazón de ZnS

Es durante la encapsulación cuando la capa de ZnS juega un papel especialmente importante, ya que ayuda a prevenir la aglomeración de partículas de CdSe que no tenían capa al ocupar los enlaces mencionados anteriormente en la superficie del punto; sin embargo, la formación de grumos todavía puede ocurrir a través de fuerzas secundarias que surgen de la hidrofobicidad común. Esto puede resultar en múltiples partículas dentro de cada micela, lo que puede afectar negativamente la resolución general. Por esta razón, son necesarias múltiples combinaciones de longitud de cadena de PEG y diámetro de partícula para lograr propiedades de imagen óptimas.

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

Red de hidrogel

Después de la encapsulación inicial, las moléculas restantes forman conexiones entre las micelas individuales para formar una red dentro del medio acuoso llamada hidrogel , creando 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 granizados", en los que el polímero, a menudo en forma de polvo, absorbe agua, volviéndose hasta un 99% líquido y 30-60 veces más grande en tamaño. ^[7]

Ecuación de Stokes-Einstein

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

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

${\displaystyle {D=\ }{RT \over \ 6\pi rN_{A}\eta },}$ donde

• ${\displaystyle R}$ es la constante del gas
• ${\displaystyle T}$ es la temperatura
• ${\displaystyle r}$ es el radio de la partícula
• ${\displaystyle N_{A}}$ es el número de Avogadro
• ${\displaystyle \eta }$ es la viscosidad del hidrogel

Las difusividades típicas de hidrogel 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 utilizando técnicas reológicas.

Reología de la micela

Al encapsular materiales hidrófobos o potencialmente tóxicos, es importante que el encapsulante permanezca intacto mientras está dentro del cuerpo. El estudio de las propiedades reológicas de las micelas permite identificar y seleccionar el polímero más apropiado para su uso en aplicaciones biológicas a largo plazo. R _f -PEG exhibe propiedades reológicas superiores cuando se usa 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 asegura que el encapsulante no se libere con el tiempo. Evitar la liberación de QD 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 columna vertebral de PEG en Daltons, representado por #K (miles de Daltons)
• Longitud de los extremos hidrófobos, indicada por el número de átomos de carbono en el grupo terminal (C #).

El aumento de la longitud del PEG aumenta la solubilidad del polímero. Sin embargo, si la cadena de PEG es demasiado larga, la micela se volverá inestable. Se ha observado que un hidrogel estable solo se puede formar con cadenas principales de PEG que pesen entre seis y diez mil Dalton. ^[8]

Por otro lado, aumentar la longitud de los grupos terminales hidrófobos 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 finales dan como resultado la mayor conversión en micelas (91%): ^[8]

• ${\displaystyle C_{10}F_{21}}$
• ${\displaystyle C_{8}F_{17}}$

Fluido Maxwell

A pesos moleculares entre 6 mil y 10 mil Daltons, el hidrogel R _f -PEG actúa como un material Maxwell , lo que significa que el fluido tiene viscosidad y 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 a través de la reología oscilatoria. ^{[9] [10]} Graficando las integrales de primer y segundo orden de los valores del módulo, se obtiene una gráfica de Cole-Cole que, cuando se ajusta a un modelo de Maxwell, proporciona la siguiente relación:

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

Donde

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

Propiedades mecánicas de moléculas comunes de R _f- PEG

Con base en el comportamiento maxwelliano del hidrogel y las observaciones de la erosión a través de la resonancia de plasmón superficial (SPR) , los siguientes datos resultan para 3 tipos comunes de R _f -PEG en sus concentraciones especificadas: ^{[11] [12]}

	${\displaystyle \ \ \ \ {\text{10KC10}}}$	${\displaystyle {\text{10KC8}}}$	${\displaystyle {\text{6KC8}}}$
${\displaystyle {\text{Composition}}\ (wt\%)}$	6,8	6.5	11,0
${\displaystyle {\text{Relaxation Time}}\ (\tau _{r})\ (s)}$	1.2	0,029	0.023
${\displaystyle {\text{Plateau Modulus}}\ (G_{o})\ (kPa)}$	14,4	18,5	56,1
${\displaystyle {\text{Viscosity}}\ (\eta _{o})\ (kPa\cdot s)}$	18	0,53	1,5
${\displaystyle {\text{Conversion Percent}}\ (\%)}$	94	94	89

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, dependiendo del polímero que se esté considerando). En general, mayores grados de entrelazamiento conducen a un mayor tiempo requerido para que el polímero vuelva al estado no deformado o tiempos de relajación .

Aplicaciones

La encapsulación de hidrogel de los QD abre una nueva gama de aplicaciones, tales como:

• Biosensores

Las enzimas y otras moléculas bioactivas sirven como unidades de biorreconocimiento, mientras que las QD sirven como unidades de señalización. Al agregar enzimas a la red de hidrogel QD, ambas unidades se pueden combinar para formar un biosensor . La reacción enzimática que detecta una molécula en particular hace que se apague la fluorescencia de los QD. De esta forma se puede observar la ubicación de moléculas de interés. ^[13]

• Influencia celular e imágenes

Agregar nanopartículas de óxido de hierro a las micelas QD les permite ser fluorescentes y magnéticas. Estas micelas se pueden mover en un campo magnético para crear gradientes de concentración que influirán en los procesos de una célula. ^[14]

• Hipertermia de oro

Cuando se excitan con radiación de alta energía, como con un láser, las nanopartículas de oro emiten un campo térmico. Este fenómeno se puede utilizar como una forma de terapia de hipertermia para destruir cánceres malignos sin dañar los tejidos circundantes. Cuando se combina con QD en un hidrogel, esto podría facilitar la monitorización en tiempo real del tratamiento del tumor. ^[15]

Ver también

• Hidrófobo
• Termodinámica de la micelización
• Temperatura de Krafft
• Tensioactivos
• Detergente
• Fuerza entrópica
• Ecuación de Cole-Cole

Referencias

1. Glazer, ES; SA Curley (julio de 2010). "Citotoxicidad térmica inducida por campos de radiofrecuencia en células cancerosas tratadas con nanopartículas fluorescentes" . Cáncer . 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 frente a tintes orgánicos como etiquetas fluorescentes". Métodos de la naturaleza . 5 (9): 763–775. doi : 10.1038 / nmeth.1248 . PMID 18756197 . 
3. Angell, Joshua. "Síntesis y caracterización de puntos cuánticos CdSe-ZnS Core-Shell".
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 .
5. Lundberg, DJ; RG Brown; JE Glass; RR Eley (1994). "Síntesis, caracterización y reología en solución de uretanos etoxilados solubles en agua modificados hidrofóbicamente modelo". Langmuir . 10 (9): 3027-3034. doi : 10.1021 / la00021a028 .
6. Mathias, Errol V .; Julia Aponte; Julia A. Kornfield ; Yong Ba (octubre de 2010). "Propiedades de la carga y difusión del fármaco molecular pequeño en un hidrogel de PEG fluorado estudiado por RMN de difusión molecular 1H y RMN de difusión por giro 19F" . Ciencia de coloides y polímeros . 288 (18): 1655-1663. doi : 10.1007 / s00396-010-2304-9 . PMC 2982959 . PMID 21170115 .  
7. Horie, K, et. al , 890.
8. Tae, Giyoong; Julia A. Kornfield; Jeffry A. Hubbell; Diethelm Johannsmann; Thieo E. Hogen-Esch (mayo de 2001). "Hidrogeles con características controladas de erosión superficial de autoensamblaje de poli (etilenglicol) con extremos fluoroalquilo". Macromoléculas . 34 (18): 6409–6419. Código Bibliográfico : 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, M .; AV Dobrynin (1997). Tendencias en la ciencia de los polímeros . 5 (6): 181.
11. Aust, EF; S. Ito; M. Sawodny; W. Knoll (1994). Tendencias en la ciencia de los polímeros . 2 : 313.
12. Tae, G .; JA Kornfield; JA Hubbell; Diethelm Johannsmann (17 de septiembre de 2002). "Sorción anómala en películas delgadas de poli (etilenglicol) con extremos de 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 de punto cuántico encapsulantes de enzimas y xerogeles como biosensores: plataformas multifuncionales para biocatálisis y sondas fluorescentes". Angewandte Chemie International Edition . 52 (3): 976–979. doi : 10.1002 / anie.201205791 . PMID 23172829 . 
14. Roullier, Víctor; Fabien Grasset; Fouzia Boulmedais; Franck Artzner; Olivier Cador; Vale´rie Marchi-Artzner (15 de octubre de 2008). "Pequeñas micelas magnéticas de puntos cuánticos bioactivadas" (PDF) . Química de 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 las nanovarillas de oro en las células tumorales" (PDF) . Nanomedicina . 2 (1): 125-132. doi : 10.2217 / 17435889.2.1.125 . PMC 2597406 . PMID 17716198 .