Безлигандные иридовые наночастицы: простой водный синтез и демонстрированная in-vitro биосовместимость

Аннотация

Высокоплотные неорганические наночастицы становятся мощными агентами в лучевой медицине — от рентгеновской визуализации до усиления дозы при радиотерапии. Мы сообщаем о масштабируемом водном синтезе, дающем 2–3 нм иридовые наночастицы (IrNP) через боргидридное восстановление хлорида иридия(III). Заметно, что метод дает равномерные монодисперсные безлигандные частицы без ПАВ или стабилизаторов. Трансмиссионная электронная микроскопия и рентгеновская дифракция подтверждают кристаллическое иридовое ядро, в то время как in-vitro тесты на гепатоцитарных и макрофажных линиях клеток демонстрируют толерантность до 10 мкМ IrNP и 10 мкМ хлорида иридия(III). Гемолитические исследования показывают отсутствие значимого повреждения эритроцитов при концентрациях до 100 мкМ. Эти результаты подчеркивают перспективы IrNP для будущих in-vivo применений.

Введение

Благородные металлические наночастицы центральны в наномедицине благодаря их уникальным оптическим, электронным и каталитическим свойствам. В то время как золотые и серебряные наночастицы изучены обширно для сенсорики, терапии и антимикробного использования, платиноидные металлы остаются в значительной степени нераскрытыми в биомедицинских контекстах. Иридий, с его исключительной плотностью (22,56 г/см³), химической инертностью и известной биосовместимостью, предлагает убедительную альтернативу золоту для приложений усиления радиации. Существующие исследования высоко-Z наночастиц фокусировались на золоте, висмуте и гафнии; иридий не исследовался в этом аспекте несмотря на свои благоприятные физические и химические черты.

Высокая плотность иридия подкрепляет его полезность в физике радиации — ¹⁹²Ir, распространенный изотоп для брахитерапии, демонстрирует, как плотно упакованный элемент может доставлять мощное гамма-излучение. Однако систематический синтез безлигандных иридовых наночастиц, подходящих для биологического использования, не сообщался. Наша работа заполняет этот пробел, предоставляя простой, масштабируемый водный протокол и комплексную оценку in-vitro биосовместимости.

Методы

Синтез IrNP

Все реакции проводились при комнатной температуре в безкислородной, 18 МОм деионизированной воде. 20 мМ сток IrCl₃ (Acros Organics) ультразвуковые обрабатывали и перемешивали 20 мин для прояснения раствора. 1,0 М раствор боран-морфолина (Alfa Aesar) также ультразвуково обрабатывали. Для 500 мл масштаба 25 мл 1,0 мМ IrCl₃ смешивали с 5 мл 10 мМ боран-морфолина при интенсивном перемешивании. Смесь потемнела от коричневой к черной за 30 мин, указывая на формирование наночастиц. После дополнительных 60 мин перемешивания коллоид концентрировали с помощью 10 кДа MWCO центрифужных фильтров (Amicon Ultra-4) при 4000 × g, вымывали водой и фильтровали через 0,22 мкм шприцевой фильтр (Millex-MP) перед хранением.

Характеристика наночастиц

Высокоразрешающее ТЭМ (FEI Tecnai F-20, 200 кВ) использовали для изображения частиц на дырявистых углеродных сетках. Дифракционные паттерны анализировали с ImageJ для подтверждения 0,22 нм решетчатого расстояния, характерного для металлического иридия. Рентгеновская дифракция (Rigaku Ultima IV, Cu Kα, 20–80° 2θ, 0,1° мин⁻¹) соответствовала PDF карте 9008470 для элементарного иридия. Динамическое световое рассеяние (Malvern Nano ZSP) сообщало гидродинамический диаметр ~5 нм. UV-Vis спектры (Tecan M200 Pro) подтверждали широкое, безособенное поглощение IrNP против острых пиков IrCl₃. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (PHI Versaprobe II) раскрывала доминирующую Ir(0) поверхность с ~20% оксидного загрязнения. Индуктивно связанная плазма масс-спектрометрия (Agilent 7900) квантифицировала концентрации иридия в ppb диапазоне после аква-региа переработки.

Цитотоксичность анализ

HepG2 (человечная гепатоцеллюлярная карцинома) и J774A.1 (крысиные макрофаги) клетки посевали по 2×10⁵ клеток на колодец в 96-колодцевых пластинках (DMEM + 10% ФСБ) и инкубировали 24 ч. IrNP, IrCl₃, вода или DMSO добавляли к конечному объему 110 мкл (10% об/об). Жизнеспособность оценивали после 24 или 48 ч с помощью Alamar Blue (10% об/об) и флуоресцентного считывания (экск 530 нм/эмисс 590 нм). Все эксперименты выполняли в квадруплите и повторяли в независимые дни. Гемолизис оценивали инкубацией эритроцитов в ФСБ с IrNP при 37 °C 1 ч и измерением освобождения гемоглобина.

Результаты

Синтез и характеристика иридовых наночастиц

Восстановление IrCl₃ с 10-кратным молярным избытком боран-морфолина в воде дает монодисперсные 2–3 нм IrNP в течение 30 мин. ТЭМ-изображения (рис. 1а) и РД-паттерны (рис. 1c) подтверждают высококристаллическое иридовое ядро. Частицы остают коллоидально стабильными в воде месяцами (рис. 1d). В основных средах наночастицы конвертируются в оксид иридия, приобретая синий оттенок; кислые условия вызывают флокуляцию без разрушения кристаллической структуры. XPS указывает на преимущественно элементарную поверхность с ~20% поверхностным оксидом (рис. 3). Попытки использовать тиольные ПАВ во время синтеза ингибируют формирование частиц, подчеркивая необходимость безлигандной среды для этого подхода.

a IrNP 2–3 нм в ТЭМ; b показывают высококристаллическую решетку; c РД соответствует элементарному иридию; d DLS указывает ~5 нм гидродинамический размер.

Цитотоксичность иридия

В клетках HepG2 IrCl₃ повышал метаболическую активность до 115% при 24 ч, но падал до 90% при 48 ч с 500 мкМ. IrNP снижали жизнеспособность до 78% при 50 мкМ после 48 ч. Макрофаги (J774A.1) демонстрировали временный метаболический буст (122% при 24 ч) с 50 мкМ IrNP, возвращаясь к ~98% после 48 ч. При 500 мкМ IrNP показывали нейтральную жизнеспособность при 24 ч, но сниженную после 48 ч, предполагая дозозависимые эффекты. Гемолитические анализы не выявили значимого гемолиза эритроцитов до 100 мкМ IrNP.

Клеточная жизнеспособность HepG2 и J774A.1 после 24/48 ч воздействия IrNP или IrCl₃ (*p < 0,05 vs. необработанные).

Обсуждение

Традиционные синтезы иридовых наноматериалов — гидридное восстановление, UV/гамма облучение или полиоловые пути — ориентированы на каталитическую интеграцию и не подходят для биологических применений. Наш водный, безлигандный подход обходит эти ограничения и производит частицы, пригодные для дальнейшей функционализации. In vitro, IrNP демонстрируют низкую острой токсичность, с толерантными концентрациями до 50 мкМ в гепатоцитах и минимальной гемолитической активностью. Стимуляция макрофагов предполагает потенциал для модуляции иммунных ответов, что требует дальнейших механистических исследований.

Учитывая высокую плотность иридия, эти наночастицы ожидается усилят затухание радиации, аналогично производительности ¹⁹²Ir в брахитерапии. Будущая работа изучит in-vivo биораспределение, почечную клиренс и терапевтическую эффективность в комбинации с рентгеновским или гамма-облучением.

Заключение

Мы продемонстрировали, что иридий(0) нанокристаллы могут быть синтезированы простым водным боргидридным восстановлением IrCl₃, давая 2–3 нм, высококристаллические, безлигандные IrNP с ~5 нм гидродинамическим диаметром. При остром воздействии эти частицы нетоксичны до 50 мкМ в гепатоцитах, транзиторно стимулируют метаболизм макрофагов и не провоцируют гемолиз при физиологически релевантных концентрациях. Их безлигандное ядро предлагает универсальную платформу для поверхностной модификации к биомедицински релевантным приложениям, особенно как высокоплотные рентгеновские или радиотерапевтические агенты.

Аббревиатуры

AuNP

Золотые наночастицы

DLS

Динамическое световое рассеяние

ICP-MS

Индуктивно связанная плазма масс-спектрометрия

IrNP

Иридовые наночастицы

PDF

Порошковый дифракционный файл

UV

Ультraviolet

XPS

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD

Рентгеновская дифракция