5-минутный микроволновый синтез карбонных точек, пассивированных полидопамином, с 5% квантовым выходом и 35% фототермальной эффективностью для раковой терапии

Аннотация

Карбонные точки (CD) — флуоресцентные наноматериалы, ценные за их настраиваемую фототолюминесценцию, высокую фототермальную конвертацию и отличную биосовместимость. Повышение их квантового выхода (QY) обычно требует поверхностной пассивации или гетероатомного легирования, особенно азота. В этом исследовании мы представляем быстрый, одностакановый микроволновый синтез, интегрирующий пассивацию полидопамином (PDA) в 5-минутный пиролизный шаг, что заметно упрощает протокол по сравнению с обычными гидротермальными методами. Полученные PDA-функционализированные CD (CD-PDA) характеризовали DLS, FT-IR, UV-ВИС и флуоресцентной спектроскопией. Азотистое легирование, введенное PDA, увеличило QY с <5% до 5% (почти утроение) и улучшило выход на ~1,5 раза благодаря усиленному нуклеации через фенольные группы. CD-PDA также продемонстрировали 35% фототермальную конвертационную эффективность, превосходя многие золотые фототермальные агенты. Важно, что PDA покрытие сохраняет функциональные группы, позволяющие дальнейшую конъюгацию через مايكلово сложение или шиффовую базу, открывая пути для таргетированной доставки лекарств или тераносттических применений.

Введение

Карбонные точки — уникальный класс нуль-мерных углеродных наноструктур, сочетающих sp² и sp³ гибридизацию с обильными π-электронами, способствующими дефектным сайтам и гетероатомной вкорпорации, которые управляют их свет-то-тепло или свет-то-фотон конвертационными процессами. С их первого выделения из арк-разрядной очистки одностенных углеродных нанотрубок в 2004 году CD использовались в биообразовании, фототермальной терапии (PTT), фотодинамической терапии (PDT) и биосенсорике благодаря их регулируемой флуоресценции, высокой фототермальной конвертации и врожденной биосовместимости. Существует ряд синтетических путей — лазерная абляция, кислотное окисление, гидротермальная обработка, микроволновый пиролиз, электрохимическое окисление, ультразвуковое облучение и плазменные методы — однако достижение высокого QY и надежного NIR поглощения остается сложным.

Вкорпорация азотистых гетероатомов — проверенная стратегия усиления CD флуоресценции. Например, полиэтиленимином (PEI) функционализированные CD, приготовленные 700 Вт микроволновым пиролизом глицерина и разветвленного PEI, достигли QY 15,3% и применялись в клеточном образовании и генной доставке. N- и P-ко-легированные CD, полученные из АТФ гидротермальной обработкой, достигли 9,8% QY. Фенольные соединения, такие как феруловая кислота, также показывали усиление роста CD, выступая каталитическими семенами.

Полидопамин (PDA), меланиноподобный полимер, образованный само-полимеризацией дофамина, богат катехол, аминовыми и фенольными гидроксильными группами. Эти функциональности делают PDA привлекательным пассивирующим и каталитическим агентом для CD. Строясь на этой премудрости, мы разработали одностакановый, 5-минутный микроволновый пиролизный протокол для синтеза PDA-пассивированных CD, оценивая их физико-химические свойства, фототолюминесценцию, фототермальную производительность и цитотоксичность.

Результаты и обсуждение

Синтез и характеристика CD-PDA

CD-PDA изготавливали комбинированием 6 мл предварительно-полимеризованного PDA (2 ч при pH 8,5) с 20 мл глицерина и подвергая смесь 5 мин 500 Вт микроволновому окислению. Для сравнения контрольные CD производили из глицерина в одиночестве под идентичными условиями. PDA-медированный синтез дал ~1,5-кратный более высокий массовый выход продукта, атрибутируемый фенольным группам, усиливающим нуклеацию.

Динамическое световое рассеяние выявило гидродинамический диаметр 51,5 ± 19,5 нм для CD-PDA, с дзета-потенциалом –27,5 ± 0,4 мВ, указывающим на негативно заряженное PDA покрытие. Контрольные CD показывали 5,5 ± 2,5 нм. ТЭМ изображения подтвердили монодисперсные сферические частицы с диаметрами ~25 нм для CD-PDA и ~5 нм для CD, отражая 20 нм увеличение размера после PDA пассивации.

FT-IR спектры демонстрировали характерные катехол O-H растяжения (~3400 см⁻¹) и ароматические C=C полосы (~1600 см⁻¹), подтверждающие интеграцию PDA. Новые пики на 1642, 1588 и 1640 см⁻¹ соответствовали C=O, N-H и C-N вибрациям, свидетельствуя об успешной поверхностной пассивации. UV-ВИС спектры показывали широкое поглощение от 200 до 900 нм, особенно в NIR области, признак фототермальной способности PDA. CD-PDA показывали пики на 274 и 370 нм, в то время как CD пиковали на 260 и 330 нм; батохромный сдвиг отражает введение аминогенов из PDA.

Фототолюминесценция CD-PDA

Эмиссионный пик CD-PDA смещался с 450 на 500 нм по мере изменения длины волны возбуждения от 350 до 420 нм, демонстрируя настраиваемую флуоресценцию. Флуоресцентная микроскопия и макроскопическое УФ образование (365 нм) подтвердили более сильную эмиссию относительно CD. QY, измеренный против хина сульфата (54% QY), составлял 5%, почти втрое больше контрольных CD. Флуоресцентная интенсивность оставалась стабильной более 2100 с облучения 365 нм, указывая на надежную фототолюминесценцию.

Оптимизационные исследования выявили, что 2-ч предварительная полимеризация дофамина давала максимальную флуоресценцию, в то время как варьирование концентраций PDA (3–9 мг/мл) давало колоколообразный ответ. Кислые условия (pH 5) дополнительно усиливали флуоресценцию, предполагая благоприятную производительность в микросреде опухоли.

Фототермальная производительность и цитотоксичность CD-PDA

Фототермальная эффективность

Под 808 нм, 2 Вт/см² облучением в течение 10 мин, CD-PDA (200 мкг/мл) подняли температуру на 27 °C, сравнимо с PDA в одиночестве (30 °C) и значительно выше CD (7,5 °C). Концентрационно-зависимые кривые нагрева подтвердили прямую корреляцию между нагрузкой CD-PDA и подъемом температуры, с 35% фототермальной конвертационной эффективностью — превосходя золотые наностружки (22%).

In vitro клеточная жизнеспособность

MTT анализы на клетках HeLa продемонстрировали дозо-зависимую жизнеспособность. CD-PDA поддерживали >80% жизнеспособность до 100 мкг/мл, превосходя CD и сопоставляясь с профилем PDA. При 808 нм облучении (5 мин) CD-PDA снижали клеточную жизнеспособность до 30% при 200 мкг/мл, подтверждая мощный фототермальный убейный эффект при сохранении низкой темновой токсичности.

Заключение

Мы установили упрощенный, 5-минутный микроволновый протокол для синтеза PDA-пассивированных CD. Полученные CD-PDA демонстрируют 5% QY, 35% фототермальную конвертационную эффективность и усиленный выход благодаря PDA-индуцированной нуклеации. In vitro исследования раскрывают отличную биосовместимость и значительный фототермальный терапевтический эффект, при этом PDA слой предлагает пути для дальнейшей функционализации через مايكلово сложение или шиффовую химию.

Методы/Экспериментальная часть

Материалы

Все реактивы были аналитического града. Дофамин гидрохлорид (Sigma-Aldrich), хина сульфат (Fluka), глицерин (>99%), Tris буфер (10 мМ, pH 8,5), DMSO (>99,8%), диализные мембраны (MWCO 1000 Да), MTT, трипсин и антибиотики (Beyotime) использовались без дальнейшей очистки. Клетки HeLa получены от ATCC. DMEM и FBS получены от HyClone и Biological Industries соответственно.

Инструментация и характеристика

FT-IR (Nicolet 380), UV-ВИС-NIR (Perkin-Elmer Lambda 750), флуоресценция (Tecan Infinite 200PRO), DLS (Malvern Nano-ZS), ТЭМ (FEI Tecnai G) и бытовой 500 Вт микроволновка (Galanz) использовались для анализа.

Подготовка CD-PDA и CD

Дофамин (50 мг) растворяли в 10 мл Tris (pH 8,5) и перемешивали при комнатной температуре 2 ч для формирования PDA. Синтез CD-PDA включал смешивание 6 мл этого PDA с 20 мл глицерина, за чем следовало 5 мин микроволнового окисления при 500 Вт, затем диализ (48 ч, MWCO 1000 Да) и лиофилизация. CD приготовили похожим образом но без PDA.

Определение квантового выхода флуоресценции

QY измеряли используя хина сульфат (0,1 М H₂SO₄, QY = 54%) как стандарт. Образцы разбавляли до оптической плотности <0,02 при 350 нм, и интегрированная флуоресценция (380–700 нм) сравнивали против стандарта используя формулу F = Fₛₜ(Grad_X/Grad_ST)(R_X²/R_ST²).

Фототермальные измерения

Образцы (200 мкг/мл) помещали в кварцевые кюветы и облучали 808 нм, 2 Вт/см² лазером. Температура регистрировали каждую минуту 10 мин; остывающие кривые получали после облучения. Фототермальная эффективность рассчитывали по установленным протоколам.

Клеточная культура

Клетки HeLa культивировали в DMEM (высокий глюкоза) с добавлением 10% FBS и антибиотиков при 37 °C, 5% CO₂.

MTT анализ

Клетки (2 × 10⁴ клеток/колодец) инкубировали с варьирующими концентрациями CD-PDA (10–100 мкг/мл) 24 ч, за чем следовало MTT (5 мг/мл) 4 ч. Абсорбция на 490 нм измеряли, и жизнеспособность выражали в процентах относительно необработанных контрольных.