Hydrogelinkapsling av kvantprickar

Kvantprickarnas (QD) beteende i lösning och deras interaktion med andra ytor är av stor betydelse för biologiska och industriella tillämpningar, såsom optiska displayer, djurmärkning , anti-förfalskning av färger och färger, kemisk avkänning och fluorescerande märkning . Omodifierade kvantprickar tenderar dock att vara hydrofoba, vilket utesluter deras användning i stabila, vattenbaserade kolloider . Dessutom, eftersom förhållandet mellan ytarea och volym i en kvantpunkt är mycket högre än för större partiklar, är den termodynamiska fria energin associerad med dinglande bindningar på ytan tillräcklig för att förhindra kvantinneslutningen av excitoner . När har solubiliserats genom inkapsling i antingen en hydrofob inre micell eller en hydrofil yttre micell, kan QDs framgångsrikt införas i ett vattenhaltigt medium, i vilket de bildar ett utökat hydrogelnätverk . I denna form kan kvantprickar användas i flera tillämpningar som drar nytta av deras unika egenskaper, såsom medicinsk bildbehandling och termisk förstörelse av maligna cancerformer.

Kvantprickar

Quantum dots (QDs) är halvledarpartiklar i nanoskala i storleksordningen 2-10 nm i diameter. De har elektriska egenskaper mellan de för bulkhalvledare och enskilda molekyler, såväl som optiska egenskaper som gör dem lämpliga för tillämpningar där fluorescens är önskvärt, såsom medicinsk bildbehandling. De flesta QDs som syntetiseras för medicinsk avbildning är i form av CdSe(ZnS) kärna(skal)partiklar. CdSe QDs har visat sig ha optiska egenskaper överlägsna organiska färgämnen. ZnS-skalet har en dubbel effekt:

1. att interagera med hängande bindningar som annars skulle resultera i partikelaggregation, förlust av visuell upplösning och impedans av kvantinneslutningseffekter
2. för att ytterligare öka fluorescensen hos själva partiklarna.

Problem med CdSe(ZnS) kvantprickar

Trots deras potential för användning som kontrastmedel för medicinska avbildningstekniker, hindras deras användning in vivo av kadmiums cytotoxicitet . För att lösa detta problem har metoder utvecklats för att "linda in" eller "kapsla in" potentiellt giftiga QDs i bio-inerta polymerer för att underlätta användning i levande vävnad. Även om Cd-fria QDs är kommersiellt tillgängliga, är de olämpliga för användning som ersättning för organiska kontraster. Ett annat problem med CdSe(ZnS) nanopartiklar är betydande hydrofobicitet , vilket hindrar deras förmåga att komma in i lösning med vattenhaltiga medier, såsom blod eller ryggmärgsvätska . Vissa hydrofila polymerer skulle kunna användas för att göra prickarna vattenlösliga.

Syntetisering av den inkapslande polymeren

Struktur av Rf _- polymer som används vid hydrogelinkapsling av kvantprickar. Figuren indikerar polymerens hydrofoba och hydrofila regioner.

Rf _- PEG-syntes

En anmärkningsvärd kvantpunktinkapslingsteknik involverar användning av en dubbel fluoralkyländad polyetylenglykolmolekyl (Rf- _PEG ) som ett ytaktivt ämne, som spontant kommer att bilda micellulära strukturer vid sin kritiska micellkoncentration (CMC). Den kritiska micellkoncentrationen av Rf _- PEG beror på längden av PEG-delen av polymeren. Denna molekyl består av en hydrofil PEG- _ryggrad med två hydrofila terminala grupper (CnF2n _{+ 1} -CH2CH2O ) fästa via isoforondiuretan _. Det syntetiseras genom att dehydratisera en lösning av 1,3-dimetyl-5-fluorouracil och PEG, blanda dem i närvaro av tungt vatten (D ₂ O) via en sonikator för att sedan kombineras.

Micellisering

Polymer micell med flera QDs i mitten. Polymeren omsluter så att båda de hydrofoba ändarna är nära QDs och den hydrofila änden är på utsidan av micellen för att tillåta löslighet i vatten.

Vid lämplig Krafft-temperatur och kritisk micellkoncentration kommer dessa molekyler att bilda individuella tår-droppsslingor, där de hydrofoba ändarna attraheras till varandra, till andra molekyler och även till de likaledes hydrofoba QDs. Detta bildar en laddad micell med ett hydrofilt yttre skal och en hydrofob kärna.

När man kapslar in hydrofober på detta sätt är det viktigt att se till att partikelstorleken är lämplig för den PEG-ryggrad som används, eftersom antalet PEG-merenheter (vanligtvis med en MW på 6K eller 10K Dalton) bestämmer den maximala partikelstorleken som framgångsrikt kan uppnås . som finns i micellens kärna.

För att bestämma medeldiametern, D, för QD:erna, används följande empiriska ekvation:

$.\}{style {1.5 gånger 10^{-9})\lambda ^{4}}-{(2.66575\ gånger 10^{-6})\lambda ^{3}}+{(1.6242\ gånger 10^{-3})\lambda ^{2}}-{(0.4277)\lambda }+{41.57}}$

Var

• $D$ är diametern på CdSe QD i nm
• $\lambda$ är våglängden för den första absorptionstoppen i nm

Rollen för ZnS-skalet

Det är under inkapslingen som ZnS-skalet spelar en särskilt viktig roll, eftersom det hjälper till att förhindra agglomerering av CdSe-partiklar som inte hade något skal genom att uppta de tidigare nämnda bindningarna på punktytan; dock kan klumpning fortfarande uppstå genom sekundära krafter som uppstår från vanlig hydrofobicitet. Detta kan resultera i flera partiklar inom varje micell, vilket kan påverka den totala upplösningen negativt. Av denna anledning är flera kombinationer av PEG-kedjelängd och partikeldiameter nödvändiga för att uppnå optimala bildegenskaper.

Miceller kan tvärbindas. Polymerkedjans ändar attraheras av två olika QD-grupper.

Hydrogel nätverk

Efter initial inkapsling bildar de återstående molekylerna förbindelser mellan de individuella micellerna för att bilda ett nätverk i det vattenhaltiga mediet som kallas en hydrogel , vilket skapar en diffus och relativt konstant koncentration av den inkapslade partikeln i gelén. Bildandet av hydrogeler är ett fenomen som observeras i superabsorberande polymerer , eller "slampulver", där polymeren, ofta i form av ett pulver, absorberar vatten och blir upp till 99% flytande och 30-60 gånger större i storlek.

Stokes-Einsteins ekvation

En partikels diffusivitet minskar när dess radie ökar.

Diffusiviteten för sfäriska partiklar i en suspension uppskattas av Stokes - Einstein-ekvationen :

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

• $T$ är temperaturen
• $r$ är partikelradien
• $k_{\text{B}}$ är Boltzmann-konstanten
• $\eta$ är hydrogelens viskositet

Typiska Rf - _PEG -hydrogeldiffusioner för 2 nm kvantprickar är i storleksordningen 10 ^-16 m ² /s, så suspensioner av kvantprickar tenderar att vara mycket stabila. Hydrogelviskositet kan bestämmas med användning av reologiska tekniker.

Micell reologi

Vid inkapsling av hydrofoba eller potentiellt giftiga material är det viktigt att inkapslingsmedlet förblir intakt medan det är inne i kroppen. Att studera de reologiska egenskaperna hos micellerna möjliggör identifiering och val av polymeren som är mest lämplig för användning i långsiktiga biologiska tillämpningar. Rf _PEG uppvisar överlägsna reologiska egenskaper vid användning in vivo .

Betydelsen av polymerlängd

Polymerens egenskaper påverkas av kedjelängden. Rätt kedjelängd säkerställer att inkapslingsmedlet inte släpps över tiden. Att undvika frisättning av QDs och andra giftiga partiklar är avgörande för att förhindra oavsiktlig cellnekros hos patienter. Längden på polymeren styrs av två faktorer:

• Vikten av PEG-ryggraden i Dalton, representerad av #K (tusentals Dalton)
• Längden på de hydrofoba ändarna, betecknad med antalet kolatomer i den terminala gruppen (C#).

Ökning av PEG-längden ökar polymerens löslighet. Men om PEG-kedjan är för lång kommer micellen att bli instabil. Det har observerats att en stabil hydrogel endast kan bildas med PEG-ryggrad som väger mellan sex och tio tusen Dalton.

Å andra sidan minskar en ökning av längden på de hydrofoba terminala grupperna vattenlösligheten. För en given PEG-vikt, om hydrofoben är för kort kommer polymeren bara att lösas upp i lösningen, och om den är för lång kommer polymeren inte att lösas upp alls. Generellt sett resulterar två slutgrupper i den högsta omvandlingen till miceller (91%):

• $C_{10}F_{21}$
• $C_{8}F_{17}$

Maxwell vätska

Vid molekylvikter mellan 6 tusen och 10 tusen Dalton fungerar Rf- _PEG -hydrogelen som ett Maxwell-material , vilket innebär att vätskan har både viskositet och elasticitet . Detta bestäms genom att mäta platåmodulen, elasticitetsmodulen för en viskoelastisk polymer är konstant eller "avslappnad" när den deformeras, vid ett intervall av frekvenser via oscillerande reologi. Genom att plotta första- och andra-ordningens integraler av modulvärdena erhålls en Cole-Cole-plot, som, när den är anpassad till en Maxwell-modell, ger följande samband:

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

Var

• $G_{0}$ är platåmodulen
• $\omega$ är oscillationsfrekvensen i radianer per sekund

Mekaniska egenskaper hos vanliga Rf _- PEG-molekyler

Baserat på det Maxwellska beteendet hos hydrogelen och observationer av erosion via ytplasmonresonans (SPR), resulterar följande data för 3 vanliga Rf-PEG- _typer vid deras specificerade koncentrationer:

cellpadding = "3" cellmellanrum = "0"
	$\ \ \ \ {\text{10KC10}}$	${\text{10KC8}}$	${\text{6KC8}}$
${\text{Composition}}\ (wt\%)$	6.8	6.5	11.0
${\text{Avslappningstid}}\ (\tau _{r})\ (s)$	1.2	0,029	0,023
${\displaystyle {\text{Plateåmodul}}\ (G_{o})\ (kPa)$	14.4	18.5	56,1
${\text{Viskositet}}\ (\eta _{o})\ (kPa\cdot s)$	18	0,53	1.5
${\text{Konverteringsprocent}}\ (\%)$	94	94	89

X KC Y betecknar X tusen Dalton molekylmassa och Y kolatomer . _

Dessa värden kan ge oss information om graden av intrassling (eller graden av tvärbindning, beroende på vilken polymer som övervägs). I allmänhet leder högre grader av intrassling till längre tid som krävs för polymeren att återgå till det odeformerade tillståndet eller relaxationstider .

Ansökningar

Hydrogelinkapsling av QDs öppnar upp för ett nytt sortiment av applikationer, såsom:

• Biosensorer

Enzymer och andra bioaktiva molekyler fungerar som bioigenkänningsenheter medan QDs fungerar som signalenheter. Genom att lägga till enzymer till QD-hydrogelnätverket kan båda enheterna kombineras för att bilda en biosensor . Den enzymatiska reaktionen som detekterar en viss molekyl gör att fluorescensen av QDs släcks. På detta sätt kan platsen för molekyler av intresse observeras.

• Cellpåverkan och avbildning

Genom att lägga till nanopartiklar av järnoxid till QD-micellerna kan de vara fluorescerande och magnetiska. Dessa miceller kan flyttas i ett magnetfält för att skapa koncentrationsgradienter som kommer att påverka en cells processer.

• Guldhypertermi

När de exciteras av högenergistrålning, till exempel med en laser, avger nanopartiklar av guld ett termiskt fält. Detta fenomen kan användas som en form av hypertermiterapi för att förstöra maligna cancerformer utan att skada omgivande vävnader. I kombination med QDs i en hydrogel kan detta underlätta realtidsövervakning av tumörbehandlingen.

Se även

• Hydrofob
• Termodynamik för micellisering
• Krafftemperatur
• Ytaktiva ämnen
• Rengöringsmedel
• Entropisk kraft
• Cole–Cole ekvation