Ligand-vrije iridium-nanopartikelen: een eenvoudige waterige synthese en gedemonstreerde in-vitro biocompatibiliteit

Samenvatting

Hoge-dichtheid anorganische nanopartikelen zijn opkomende krachtige agenten in straling-gebaseerde geneeskunde, van röntgenimaging tot radiotherapie dosisversterking. We rapporteren een schaalbare, waterige synthese die 2-3 nm iridium-nanopartikelen (IrNPs) levert door borohydride-reductie van iridium(III)chloride. Opmerkelijk genoeg levert de methode uniform monodisperse, ligand-vrije deeltjes zonder surfactanten of stabilisatoren. Transmissie elektronenmicroscopie en röntgendiffractie bevestigen de kristallijne iridium-kern van de deeltjes, terwijl in-vitro assays in hepatocyt- en macrofaag-cellijnen tolerantie tot 10 µM IrNPs en 10 µM iridium(III)chloride aantonen. Hemolyse-studies tonen geen significante rode-bloedcel-schade bij concentraties tot 100 µM. Deze bevindingen benadrukken de belofte van IrNPs voor toekomstige in-vivo toepassingen.

Achtergrond

Edelmetaal-nanopartikelen zijn centraal in nanogeneeskunde dankzij hun unieke optische, elektronische en katalytische eigenschappen. Terwijl goud- en zilver-nanopartikelen uitgebreid bestudeerd zijn voor sensing, therapie en antimicrobieel gebruik, blijven platinoïde metalen grotendeels onontgonnen in biomedische contexten. Iridium, met zijn uitzonderlijke dichtheid (22,56 g cm⁻³), chemische inertheid en bekende biocompatibiliteit, biedt een overtuigend alternatief voor goud voor stralingsversterkings-toepassingen. Bestaande studies op hoge-Z nanopartikelen hebben zich gericht op goud, bismuth en hafnium; iridium is niet onderzocht in dit opzicht ondanks zijn gunstige fysieke en chemische eigenschappen.

Iridiums hoge dichtheid ligt ten grondslag aan zijn nut in stralingsfysica - ¹⁹²Ir, een veelvoorkomend brachytherapie-isotoop, demonstreert hoe een dicht gepakt element krachtige gamma-emissie kan leveren. Echter, geen systematische synthese van ligand-vrije iridium-nanopartikelen geschikt voor biologisch gebruik is gerapporteerd. Ons werk vult deze kloof door een eenvoudige, schaalbare waterige protocol en een uitgebreide beoordeling van in-vitro biocompatibiliteit te bieden.

Methoden

Synthese van IrNPs

Alle reacties werden bij kamertemperatuur uitgevoerd in zuurstof-vrij, 18 MΩ gedemineraliseerd water. Een 20 mM voorraad van IrCl₃ (Acros Organics) werd geultrasoniceerd en 20 min geroerd om de oplossing helder te maken. Een 1,0 M boraan-morfoline-oplossing (Alfa Aesar) werd eveneens geultrasoniceerd. Voor een 500 mL-schaal, werd 25 mL van 1,0 mM IrCl₃ gemengd met 5 mL van 10 mM boraan-morfoline onder hevig roeren. Het mengsel verkleurde van bruin naar zwart over 30 min, wat nanopartikelvorming aangeeft. Na een additionele 60 min roeren, werd het colloïde geconcentreerd met 10 kDa MWCO centrifugale filters (Amicon Ultra-4) bij 4000 × g, gewassen met water en gefiltreerd door een 0,22 µm spuitfilter (Millex-MP) voor opslag.

Nanopartikel Karakterisatie

Hoog-resolutie TEM (FEI Tecnai F-20, 200 kV) werd gebruikt om de deeltjes op holle koolstof-roosters te imageren. Diffractiepatronen werden geanalyseerd met ImageJ om de 0,22 nm roosterafstand karakteristiek voor metallisch iridium te bevestigen. Röntgendiffractie (Rigaku Ultima IV, Cu Kα, 20-80° 2θ, 0,1° min⁻¹) matchte de PDF-kaart 9008470 voor elementair iridium. Dynamische lichtverstrooiing (Malvern Nano ZSP) rapporteerde een hydrodynamische diameter van ~5 nm. UV-Vis-spectra (Tecan M200 Pro) bevestigden de brede, kenmerkloze absorptie van IrNPs versus de scherpe pieken van IrCl₃. Röntgenfotoelektronenspectroscopie (PHI Versaprobe II) onthulde een dominante Ir(0)-oppervlakte met ~20% oxide-verontreiniging. Inductief gekoppelde plasma-massa-spectrometrie (Agilent 7900) kwantificeerde iridium-concentraties in ppb-bereik na aqua regia-vertering.

Cytotoxiciteitsanalyse

HepG2 (humane hepatocellulaire carcinoom) en J774A.1 (muizen macrofaag) cellen werden gezaaid bij 2 × 10⁵ cellen per put in 96-put platen (DMEM + 10% FBS) en 24 geïnculeerd. IrNPs, IrCl₃, water of DMSO werden toegevoegd tot een eindvolume van 110 µL (10% v/v). Levensvatbaarheid werd beoordeeld na 24 of 48 uur met Alamar Blue (10% v/v) en fluorescentie-uitlezing (ex 530 nm/em 590 nm). Alle experimenten werden in viervoud uitgevoerd en op onafhankelijke dagen herhaald. Hemolyse werd geëvalueerd door erythrocyten in PBS met IrNPs te incuberen bij 37 °C gedurende 1 uur en hemoglobine-vrijgave te meten.

Resultaten

Iridium Nanopartikel Synthese en Karakterisatie

De reductie van IrCl₃ met een 10-voudig molaire overschot van boraan-morfoline in water levert monodisperse, 2-3 nm IrNPs binnen 30 min op. TEM-beelden (Fig. 1a) en XRD-patronen (Fig. 1c) bevestigen een hoog-kristallijne iridium-kern. De deeltjes blijven colloïdaal stabiel in water voor maanden (Fig. 1d). In basische media converteren de nanopartikelen tot iridiumoxide, wat een blauwe kleur geeft; zuurcondities induceren flocculatie zonder de kristalstructuur te verstoren. XPS wijst op een voornamelijk elementair oppervlak met ~20% oppervlakte-oxide (Fig. 3). Pogingen om thiol-surfactanten tijdens synthese te gebruiken remmen deeltjesvorming, wat de noodzaak van een ligand-vrije omgeving voor deze benadering benadrukt.

Iridium Cytotoxiciteit

In HepG2-cellen verhoogde IrCl₃ de metabolische activiteit tot 115% bij 24 uur, maar daalde tot 90% bij 48 uur met 500 µM. IrNPs verlaagden levensvatbaarheid tot 78% bij 50 µM na 48 uur. Macrofaagen (J774A.1) toonden een tijdelijke metabolische boost (122% bij 24 uur) met 50 µM IrNPs, terugkerend tot ~98% na 48 uur. Bij 500 µM toonden IrNPs neutrale levensvatbaarheid bij 24 uur maar verminderde levensvatbaarheid na 48 uur, wat dosis-afhankelijke effecten suggereert. Hemolyse-assays onthulden geen significante rode-bloedcel-lyse tot 100 µM IrNPs.

Discussie

Traditionele iridium-nanomateriaal-syntheses - hydried-reductie, UV/gamma-bestraaling of polyol-routes - zijn afgestemd op katalytische ondersteuningsintegratie en niet geschikt voor biologische toepassingen. Onze waterige, ligand-vrije benadering omzeilt deze beperkingen en produceert deeltjes die vatbaar zijn voor verdere functionalisatie. In vitro vertonen IrNPs lage acute toxiciteit, met tolerateerbare concentraties tot 50 µM in hepatocyten en minimale hemolytische activiteit. Macrofaag-stimulatie suggereert een potentieel voor het moduleren van immuunresponsen, wat verdere mechanistische studies rechtvaardigt.

Gegeven iridiums hoge dichtheid, wordt verwacht dat deze nanopartikelen stralingsafzwakking verbeteren, analog aan de prestaties van ¹⁹²Ir in brachytherapie. Toekomstig werk zal in-vivo biodistributie, nierclearance en therapeutische effectiviteit onderzoeken wanneer gecombineerd met röntgen- of gammabestraaling.

Conclusies

We hebben gedemonstreerd dat iridium(0)-nanokristallen gesynthetiseerd kunnen worden via een eenvoudige waterige borohydride-reductie van IrCl₃, wat 2-3 nm, hoog-kristallijne, ligand-vrije IrNPs oplevert met ~5 nm hydrodynamische diameter. Bij acute blootstelling zijn deze deeltjes niet-toxisch tot 50 µM in hepatocyten, stimuleren tijdelijk macrofaag-metabolisme en veroorzaken geen hemolyse bij fysiologisch relevante concentraties. Hun ligand-vrije kern biedt een veelzijdig platform voor oppervlaktemodificatie naar biomedisch relevante toepassingen, met name als hoge-dichtheid radiografische of radiotherapeutische agenten.

Afkortingen

AuNP

Goud-nanopartikel

DLS

Dynamische lichtverstrooiing

ICP-MS

Inductief gekoppelde plasma-massa-spectrometrie

IrNP

Iridium-nanopartikel

PDF

Poederdiffractie-bestand

UV

Ultraviolett

XPS

Röntgenfotoelektronenspectroscopie

XRD

Röntgendiffractie