Con il termine Nanomedicina ci si riferisce all’applicazione delle nanotecnologie al trattamento, diagnosi, studio e controllo dei complessi sistemi biologici, al livello nanometrico. Quello che contraddistingue le moderne nanotecnologie dallo studio delle interazioni atomiche/molecolari convenzionali, di cui tradizionalmente la fisica si occupa, è l’enfasi posta alle nuove e peculiari proprietà della materia che emergono quando questa viene manipolata e controllata su scala nanometrica. Infatti, spesso la nanostrutturazione è accompagnata dall’emergere di comportamenti fisico-chimici anomali, come l’aumento della resistenza meccanica, modifiche nella conducibilità termica, differente risposta all’ interazione elettro-magnetica, ecc. I recenti progressi nell’implementazione di queste tecniche hanno portato allo sviluppo di sonde nanometriche multifunzionali che presentano una fotoemissione intensa e persistente anche quando coniugate con complessi sistemi biologici. In tal senso, i quantum dots (QDs), nanocristalli di semiconduttore in soluzione colloidale, sono emersi in modo preponderante come nuova classe di sonde fluorescenti per imaging biomedico. In particolare, i nanocristalli perovskitici di alogenuri di piombo a base di cesio hanno attirato grande interesse per le loro indiscusse proprietà: facilità di sintesi colloidale, lunghezza d’onda di emissione tunabile in un apio range spettrale, alto assorbimento e intense PL Quantum Yield (<90%) e FWHM strette. Nonostante gli enormi progressi fatti nello sviluppo di protocolli sintetici efficaci, la loro scarsa stabilità nei confronti di fattori di stress ambientale rimane il maggior ostacolo che ne limita le applicazioni in ambiente acquoso. Il lavoro di tesi svolto è stato incentrato sullo sviluppo, sintesi e caratterizzazione di nanosistemi in grado di incapsulare QDs di perovskite e preservarli dalla instabilità in solventi polari. Diversi polimeri a base di acido lattico sono stati combinati con vari tensioattivi per ottenere nanosistemi stabili attraverso la preparazione di una emulsione o/a per aggiunta della fase organica ad una soluzione acquosa di emulsionante e successiva evaporazione del solvente organico. Sono stati analizzati parametri di interesse, come la stabilità dell'emulsione, l'efficienza di incapsulamento, le dimensioni e la distribuzione di taglia di vari nanosistemi, al fine di identificare la formulazione più adatta per applicazioni biomediche. I risultati più interessanti sono stati ottenuti utilizzando l’acido polilattico (PLA) e il colato di sodio (1,25% p/V) come emulsionante. Le nanoparticelle (NPs) di PLA caricate con QDs sono state ulteriormente caratterizzate per dimensioni e distribuzione di taglia attraverso l’uso della spettroscopia a correlazione di fotoni (DLS); per morfologia attraverso misure di microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM); per le proprietà ottiche utilizzando i dati ottenuti con spettroscopia di assorbimento e fotoluminescenza (PL) e spettroscopia di fotoemissione risolta in tempo (TR-PL). Le caratteristiche peculiari delle NPs da noi analizzate potrebbero trovare un’applicazione chiave in vari scenari, ad esempio per l’impiego quali sonde inorganiche in nanomedicina o per imaging biomedico. Inoltre, si prestano agevolmente ad essere ulteriormente funzionalizzate al fine di ottenere utili nanosistemi teranostici.
Quantum dots (QDs) have proven themselves as powerful inorganic fluorescent probes in nanomedicine, especially for long term, multiplexed imaging, and sensitivity. Recent research advances have led to the development of multifunctional nanoparticles probes incapsulating inorganic QDs that are very bright and stable under complex in-vivo conditions. The newly developed QDs labeling techniques have facilitated the study of drug delivery on the level of living cells and small animals. Emerging perovskite nanocrystals have shown a huge potential to be utilized in a gamut of optoelectronic devices due to their superior photoluminescence quantum yield (PLQY), tunable emission wavelength, and facile synthesis protocols at low cost. Despite the enormous progress made in synthetic protocol development, their poor stability against environmental stressors remains a major shortcoming that significantly restricts their practical applications. In this work, several lactide acid-based polymers were combined with various surfactants to obtain stable nanosystems encapsulating perovskite quantum dots through the solvent evaporation method. Specific parameters, e.g., emulsion stability, encapsulation efficiency, dimension and size distribution of various compounds were investigated, in order to identify the nanoformulation most useful for biomedical applications. The most suitable nanoparticles (NPs) formulation to be proposed as a colloidal imaging probe was obtained using poly(lactide acid) (PLA) and sodium cholate (1.25% w/v). The QDs-loaded PLA NPs were characterized by dynamic light scattering (DLS) for size and size distribution; scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) for surface morphology; absorbance and photoluminescence spectroscopy (PL) and time-resolved photoemission spectroscopy (TR-PL) for the optical properties. The peculiar characteristic of QDs-loaded PLA NPs could be useful for their application in various scenarios and to be further functionalized in order to obtain useful theranostic probes for nanomedicine.
Sviluppo di nanocristalli perovskitici per diagnostica biomedica
PUGLIESE, SARA
2020/2021
Abstract
Con il termine Nanomedicina ci si riferisce all’applicazione delle nanotecnologie al trattamento, diagnosi, studio e controllo dei complessi sistemi biologici, al livello nanometrico. Quello che contraddistingue le moderne nanotecnologie dallo studio delle interazioni atomiche/molecolari convenzionali, di cui tradizionalmente la fisica si occupa, è l’enfasi posta alle nuove e peculiari proprietà della materia che emergono quando questa viene manipolata e controllata su scala nanometrica. Infatti, spesso la nanostrutturazione è accompagnata dall’emergere di comportamenti fisico-chimici anomali, come l’aumento della resistenza meccanica, modifiche nella conducibilità termica, differente risposta all’ interazione elettro-magnetica, ecc. I recenti progressi nell’implementazione di queste tecniche hanno portato allo sviluppo di sonde nanometriche multifunzionali che presentano una fotoemissione intensa e persistente anche quando coniugate con complessi sistemi biologici. In tal senso, i quantum dots (QDs), nanocristalli di semiconduttore in soluzione colloidale, sono emersi in modo preponderante come nuova classe di sonde fluorescenti per imaging biomedico. In particolare, i nanocristalli perovskitici di alogenuri di piombo a base di cesio hanno attirato grande interesse per le loro indiscusse proprietà: facilità di sintesi colloidale, lunghezza d’onda di emissione tunabile in un apio range spettrale, alto assorbimento e intense PL Quantum Yield (<90%) e FWHM strette. Nonostante gli enormi progressi fatti nello sviluppo di protocolli sintetici efficaci, la loro scarsa stabilità nei confronti di fattori di stress ambientale rimane il maggior ostacolo che ne limita le applicazioni in ambiente acquoso. Il lavoro di tesi svolto è stato incentrato sullo sviluppo, sintesi e caratterizzazione di nanosistemi in grado di incapsulare QDs di perovskite e preservarli dalla instabilità in solventi polari. Diversi polimeri a base di acido lattico sono stati combinati con vari tensioattivi per ottenere nanosistemi stabili attraverso la preparazione di una emulsione o/a per aggiunta della fase organica ad una soluzione acquosa di emulsionante e successiva evaporazione del solvente organico. Sono stati analizzati parametri di interesse, come la stabilità dell'emulsione, l'efficienza di incapsulamento, le dimensioni e la distribuzione di taglia di vari nanosistemi, al fine di identificare la formulazione più adatta per applicazioni biomediche. I risultati più interessanti sono stati ottenuti utilizzando l’acido polilattico (PLA) e il colato di sodio (1,25% p/V) come emulsionante. Le nanoparticelle (NPs) di PLA caricate con QDs sono state ulteriormente caratterizzate per dimensioni e distribuzione di taglia attraverso l’uso della spettroscopia a correlazione di fotoni (DLS); per morfologia attraverso misure di microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM); per le proprietà ottiche utilizzando i dati ottenuti con spettroscopia di assorbimento e fotoluminescenza (PL) e spettroscopia di fotoemissione risolta in tempo (TR-PL). Le caratteristiche peculiari delle NPs da noi analizzate potrebbero trovare un’applicazione chiave in vari scenari, ad esempio per l’impiego quali sonde inorganiche in nanomedicina o per imaging biomedico. Inoltre, si prestano agevolmente ad essere ulteriormente funzionalizzate al fine di ottenere utili nanosistemi teranostici.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/14185