5-minuten microgolf-geassisteerde synthese van polydopamine-gepassiveerde koolstofdots met 5% quantum yield en 35% fotothermische efficiëntie voor kankertherapie

Samenvatting

Koolstofdots (CDs) zijn fluorescerende nanomaterialen gewaardeerd voor hun instelbare fotoluminescentie, hoge fotothermische conversie, en uitstekende biocompatibiliteit. Het verhogen van hun quantum yield (QY) vereist meestal oppervlaktepassivatie of heteroatoom-doping, met name stikstof. In deze studie presenteren we een snelle, one-pot microgolf-geassisteerde synthese die polydopamine (PDA) passivatie integreert in een 5-minuten pyrolyse-stap, wat het protocol aanzienlijk vereenvoudigt vergeleken met conventionele hydrothermale methoden. De resulterende PDA-gefunctionaliseerde CDs (CD-PDA) werden gekarakteriseerd door DLS, FT-IR, UV-Vis, en fluorescentspectroscopie. De N-doping geïntroduceerd door PDA verhoogde de QY van <5% tot 5% (bijna verdrievoudiging) en verbeterde de opbrengst met ~1,5-voudig door verbeterde nucleatie via fenolische groepen. CD-PDA toonde ook een 35% fotothermische conversie-efficiëntie, wat veel gouden-gebaseerde fotothermische agenten overtreft. Belangrijk is dat de PDA-coating functionele groepen behoudt die verdere conjugatie via Michael-additie of Schiff-basis-chemie mogelijk maken, wat wegen opent voor gerichte geneesmiddellevering of theranostische toepassingen.

Achtergrond

Koolstofdots zijn een unieke klasse van nul-dimensionale koolstof-nanostructuren die sp² en sp³-hybridisatie combineren met overvloedige π-elektronen, wat defectplaatsen en heteroatoom-incorporatie bevordert die hun licht-naar-warmte of licht-naar-foton conversieprocessen drijven. Sinds hun eerste isolatie uit boogontlading-zuivering van enkelwandige koolstofnanotubes in 2004, zijn CDs benut in bio-imaging, fotothermische therapie (PTT), fotodynamische therapie (PDT), en biosensing, dankzij hun instelbare fluorescents, hoge fotothermische conversie, en inherent biocompatibiliteit. Een aantal synthetische routes bestaat - laserablatie, zuuroxidatie, hydrothermale behandeling, microgolf-pyrolyse, electrochemische oxidatie, ultrasonische bestraling, en plasma-methoden - toch blijft het bereiken van hoge QY en robuuste NIR-absorptie uitdagend.

Het incorporeren van stikstof-heteroatomen is een bewezen strategie om CD-fluorescentie te versterken. Bijvoorbeeld, polyethyleenimine (PEI)-gefunctionaliseerde CDs bereid door 700 W microgolf-pyrolyse van glycerol en vertakte PEI bereikten een QY van 15,3% en werden toegepast in cel-imaging en genlevering. N- en P-geco-dopte CDs afgeleid van ATP via hydrothermale behandeling bereikten een QY van 9,8%. Fenolische verbindingen zoals ferulinezuur zijn ook getoond om CD-groei te verbeteren door te fungeren als katalytische zaden.

Polydopamine (PDA), een melanine-achtig polymere gevormd door dopamine zelf-polymerisatie, is rijk aan catechol, amine, en fenolische hydroxyl-groepen. Deze functionaliteiten maken PDA een aantrekkelijke passiverende en katalytische agent voor CDs. Op deze premisse bouwend, ontwikkelden we een one-pot, 5-minuten microgolf-geassisteerde pyrolyse-protocol om PDA-gepassiveerde CDs te synthetiseren, en evalueerden hun fysicochemische eigenschappen, fotoluminescentie, fotothermische prestaties, en cytotoxiciteit.

Resultaten en discussie

Synthese en karakterisering van CD-PDA

CD-PDA werden geproduceerd door 6 mL van voor-gepolymereerde PDA (2 uur bij pH 8,5) te combineren met 20 mL glycerol en het mengsel te onderwerpen aan 5 minuten van 500 W microgolf-oxidatie. Voor vergelijking, werden controle CDs geproduceerd uit glycerol alleen onder identieke omstandigheden. De PDA-gemedieerde synthese leverde ~1,5-voudig hogere productmassa op, toeschrijfbaar aan de fenolische groepen die nucleatie verbeteren.

Dynamische lichtspreiding onthulde een hydrodynamische diameter van 51,5 ± 19,5 nm voor CD-PDA, met een zeta-potentiaal van -27,5 ± 0,4 mV, wat een negatief geladen PDA-coating aangeeft. Controle CDs vertoonden 5,5 ± 2,5 nm. TEM-beelden bevestigden monodisperse bolvormige deeltjes met diameters van ~25 nm voor CD-PDA en ~5 nm voor CDs, wat de 20 nm groottevergroting na PDA-passivatie weerspiegelt.

FT-IR-spectra toonden karakteristieke catechol O-H strekkingen (~3400 cm⁻¹) en aromatische C=C-banden (~1600 cm⁻¹), wat PDA-integratie bevestigt. Nieuwe pieken bij 1642, 1588, en 1640 cm⁻¹ corresponderen met C=O, N-H, en C-N trillingen, wat succesvolle oppervlaktepassivatie bewijst. UV-Vis-spectra toonden brede absorptie van 200 tot 900 nm, met name in het NIR-gebied, een kenmerk van PDA's fotothermische capaciteit. CD-PDA vertoonde pieken bij 274 en 370 nm, terwijl CDs piekten bij 260 en 330 nm; de bathochromische verschuiving reflecteert amidogen-introductie vanuit PDA.

Fotoluminescentie van CD-PDA

De emissiepiek van CD-PDA verschuifde van 450 naar 500 nm naarmate de excitatiegolflengte varieerde van 350 naar 420 nm, wat instelbare fluorescentie demonstreert. Fluorescente microscopie en macroscopische UV-beeldvorming (365 nm) bevestigden sterkere emissie ten opzichte van CDs. De QY, gemeten tegen kwijnezuuraat (54% QY), was 5%, bijna driedeel de controle-CDs. Fluorescentie-intensiteit bleef stabiel gedurende 2100 s van 365 nm bestraling, wat robuuste fotoluminescentie aangeeft.

Optimalisatiestudies onthulden dat 2-uurs dopamine voor-polymerisatie maximale fluorescentie opleverde, terwijl varierende PDA-concentraties (3-9 mg mL⁻¹) een belvormige respons produceerden. Zure condities (pH 5) versterkten de fluorescentie verder, wat gunstige prestaties in tumor-micro-omgevingen suggereert.

Fotothermische prestaties en cytotoxiciteit van CD-PDA

Fotothermische effectiviteit

Onder 808 nm, 2 W cm⁻² bestraling gedurende 10 min, verhoogde CD-PDA (200 µg mL⁻¹) de temperatuur met 27 °C, vergelijkbaar met PDA alleen (30 °C) en aanzienlijk hoger dan CDs (7,5 °C). Concentratie-afhankelijke verwarmingskrommen bevestigden een directe correlatie tussen CD-PDA-lading en temperatuurstijging, met een 35% fotothermische conversie-efficiëntie - wat gouden nanorods (22%) overtreft.

In vitro cel-leefbaarheid

MTT-assays op HeLa-cellen demonstreerden dosis-afhankelijke leefbaarheid. CD-PDA handhaafde >80% leefbaarheid tot 100 µg mL⁻¹, wat CDs overtreft en PDA's profiel matcht. Bij 808 nm bestraling (5 min) verlaagde CD-PDA de celleefbaarheid tot 30% bij 200 µg mL⁻¹, wat krachtige fotothermische dood bevestigt terwijl lage donker-toxiciteit behouden blijft.

Conclusies

We hebben een gestroomlijnd, 5-minuten microgolf-geassisteerd protocol vastgelegd om PDA-gepassiveerde CDs te synthetiseren. De resulterende CD-PDA vertonen een 5% QY, een 35% fotothermische conversie-efficiëntie, en verhoogde opbrengst door PDA-geïnduceerde nucleatie. In vitro studies onthullen uitstekende biocompatibiliteit en significant fotothermisch therapeutisch effect, met de PDA-laag die wegen biedt voor verdere functionalisatie via Michael-additie of Schiff-basis-chemie.