Las nanopartículas de conversión ascendente, nuevos tipos de nanomateriales luminiscentes que liberan fotones de alta energía después de la estimulación con luz láser, pueden penetrar más profundamente en el tejido y son más fotoquímicamente estables que los agentes de bioimagen convencionales. como puntos cuánticos y tintes orgánicos. Los nanocristales luminiscentes dopados o impregnados con pequeñas cantidades de iones de iterbio (Yb) de tierras raras son particularmente efectivos en la conversión ascendente de fotones. Los láseres específicos utilizados para excitar a los dopantes Yb, sin embargo, también puede calentar moléculas de agua en muestras biológicas provocando la muerte celular o daño tisular.

Ahora, Xiaogang Liu del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales en Singapur y sus colaboradores han sintetizado un nanocristal dopado con tierras raras que puede excitarse en longitudes de onda dentro de una 'ventana biológica' más segura. gracias a una capa, diseño de núcleo-carcasa.

Los nanocristales luminiscentes requieren componentes 'sensibilizadores' para absorber fotones y transferir energía a los sitios activadores, que emiten la radiación luminosa deseada. Liu y sus compañeros de trabajo investigaron un dopante de tierras raras diferente, neodimio (Nd), que absorbe la luz láser de longitud de onda corta que excita las moléculas de agua, evitando así efectos de sobrecalentamiento. Desafortunadamente, El Nd se puede dopar en nanocristales solo en concentraciones muy bajas antes de que las interacciones cruzadas con los activadores comiencen a extinguir la luminiscencia. Esto hace que las nanopartículas dopadas con Nd sean emisores débiles en comparación con los biomarcadores basados ​​en Yb.

Para resolver este problema, los investigadores produjeron nanopartículas esféricas que contienen capas con concentraciones marcadamente diferentes de iones Nd. Doparon pequeñas cantidades de Nd, Yb, e iones activadores en nanocristales de fluoruro de itrio y sodio (NaYF4), un material con una fuerte eficiencia de conversión ascendente. Luego sintetizaron una capa de cáscara alrededor del núcleo de bajo dopado que contenía una concentración de dopante de Nd significativamente más alta del 20 por ciento. En este arreglo, la capa de la cáscara recolecta luz de manera efectiva y luego transfiere energía al núcleo, donde las concentraciones bajas de sensibilizador minimizan la reducción de la luminiscencia (ver imagen).

Los experimentos revelaron que el diseño núcleo-capa mejoró dramáticamente las capacidades de bioimagen de los nanocristales:el nuevo material tenía mejores capacidades de captación de luz que las nanopartículas dopadas con Nd o Yb puro y alcanzó intensidades de emisión siete veces más altas que el NaYF4 puro. Los estudios mecanicistas mostraron que la transferencia de energía entre los iones Nd e Yb en el núcleo de la nanopartícula fue clave para superar las limitaciones de las bajas concentraciones de dopantes.

Próximo, el equipo probó sus nuevos materiales obteniendo imágenes de una serie de células de cáncer de cuello uterino. Si bien la irradiación láser típica para los biomarcadores dopados con Yb mató las células en cinco minutos, las longitudes de onda más cortas utilizadas para las nanopartículas núcleo-capa dopadas con Nd mantuvieron las células viables durante el mismo tiempo.

"Planeamos mejorar aún más la eficiencia de conversión ascendente de nuestras nanopartículas y utilizarlas tanto para la obtención de imágenes biológicas como para la administración de fármacos, "dice Liu.