Desenvolvimento de pontos quânticos à base de ferro e zinco para aplicações de bioimagem por fluorescência e ressonância magnética

Abstract

Devido à toxicidade associada a compostos inorgânicos como cádmio e gadolínio, a seleção de agentes de contraste para diagnóstico é crucial. Compostos à base de zinco e ferro surgiram como alternativas potenciais devido à sua abundância, baixo custo e baixa toxicidade. O óxido de zinco (ZnO) oferece alta luminescência devido ao seu alto rendimento quântico, enquanto o óxido de ferro (IO) exibe propriedades de relaxividade adequadas para ressonância magnética. Este projeto visa sintetizar e explorar as propriedades luminescentes e magnéticas de agentes de contraste à base de ferro e zinco para aplicações potenciais de imagem diagnóstica. Compostos incluindo ZnO, IO, cobre-índio-zinco-enxofre/sulfeto de zinco (CIS/ZnS) e óxido de zinco dopado com ferro (FeZnO) foram obtidos e incorporados em um copolímero de ácido poliláctico-glicólico (PLGA) visando aumentar a sua estabilidade em meios biológicos. A caracterização dos sistemas poliméricos foi realizada usando espalhamento dinâmico de luz (DLS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). As propriedades ópticas foram examinadas por meio de espectros de absorção e fluorescência, enquanto as propriedades magnéticas foram quantificadas por meio de medidas de tempo de relaxação transversal e longitudinal. O primeiro sistema foi avaliado baseado em nanopartículas de PLGA, contendo ZnO e IO. Em uma proporção de PLGA:ZnO:IO de 10:6:1 foi possível obter um agente de contraste duplo com emissão em 540 nm ao ser excitado em 343 nm e um forte efeito T2 com uma relaxividade r2 de 171 mmol L-1 s-1 a 7 teslas. O tamanho das nanopartículas determinado por DLS foi de aproximadamente 200 nm com um PDI abaixo de 0,3, enquanto as partículas de ZnO e IO incorporadas tinham cerca de 4 nm e 8 nm, respectivamente. A investigação de um segundo agente de contraste envolvendo a dopagem das nanopartículas de ZnO com ferro revelou que uma concentração molar de Fe entre 0,1 e 1,0% e um tempo de adição de dopante de 30 minutos produziram material luminescente com emissão em 540 nm quando excitado a 343 nm, com tamanhos de nanopartículas de aproximadamente 4 nm. As propriedades magnéticas exibiram propriedades de relaxação T1 e T2, com uma relaxividade de r2 = 18,47 mmol L-1 s-1 e r1 = 1,79 mmol L-1 s-1 a 7T para a amostra FeZnO0.1. A investigação de um terceiro agente de contraste baseado em compostos de cobre-índio-zinco-enxofre revelou que as nanopartículas dopadas com Fe e sistemas núcleo-casca perderam suas propriedades de luminescência. No entanto, a coencapsulação de agentes de contraste à base de cobre-índio-zinco-enxofre e óxido de ferro dentro do polímero PLGA resultou na produção de um sistema caracterizado por uma forte emissão a 650 nm ao ser excitado a 365 nm e 525 nm, bem como propriedades magnéticas exibindo um efeito T2 a 7T. No geral, este estudo destaca o potencial de agentes de contraste à base de ferro e zinco para aplicações de imagem diagnóstica.

Due to the toxicity associated with inorganic compounds like cadmium and gadolinium, selecting contrast agents for diagnostics is crucial. Zinc- and iron-based compounds have emerged as potential alternatives due to their abundance, low cost, and low toxicity. Zinc oxide (ZnO) offers high luminescence due to its high quantum yield, while iron oxide (IO) exhibits relaxivity properties suitable for magnetic resonance imaging (MRI). This thesis aims to synthesize and explore the luminescent and magnetic properties of iron- and zinc-based contrast agents for potential diagnostic imaging applications. Compounds including ZnO, IO, copper-indium-zinc-sulfide/zinc sulfide (CIS/ZnS), and iron-doped zinc oxide (FeZnO) were obtained and incorporated into a poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) copolymer to increase their stability in biological environments. The characterization of the polymer systems was carried out using dynamic light scattering (DLS) and transmission electron microscopy (TEM). Optical properties were examined through absorption and fluorescence spectra, while magnetic properties were quantified using transverse and longitudinal relaxation time measurements. The first system was evaluated based on PLGA nanoparticles containing ZnO and IO. With a PLGA:ZnO:IO ratio of 10:6:1, a dual contrast agent was obtained with emission at 540 nm when excited at 343 nm and a strong T2 effect with an r2 relaxivity of 171 mmol L-1 s-1 at 7 teslas. The size of the nanoparticles determined by DLS was approximately 200 nm with a PDI below 0.3, while the incorporated ZnO and IO particles were around 4 nm and 8 nm, respectively. Investigation of a second contrast agent involving doping ZnO nanoparticles with iron revealed that an iron molar concentration between 0.1% and 1.0%, and a dopant addition time of 30 minutes, produced luminescent material with emission at 540 nm when excited at 343 nm, with nanoparticle sizes of approximately 4 nm. The magnetic properties displayed both T1 and T2 relaxation characteristics, with r2 = 18.47 mmol L-1 s-1 and r1 = 1.79 mmol L-1 s-1 at 7T for the FeZnO0.1 sample. The investigation of a third contrast agent based on copper-indium-zinc-sulfide compounds revealed that Fe-doped nanoparticles and core-shell systems lost their luminescence properties. However, co-encapsulation of copper-indium-zinc-sulfide-based contrast agents and iron oxide within the PLGA polymer resulted in a system characterized by strong emission at 650 nm when excited at 365 nm and 525 nm, along with magnetic properties exhibiting a T2 effect at 7T. Overall, this study highlights the potential of iron- and zinc-based contrast agents for diagnostic imaging applications.

Debido a la toxicidad asociada con compuestos inorgánicos como el cadmio y el gadolinio, la selección de agentes de contraste para diagnósticos es crucial. Los compuestos a base de zinc y hierro han surgido como alternativas potenciales debido a su abundancia, bajo costo y baja toxicidad. El óxido de zinc (ZnO) ofrece una alta luminiscencia debido a su alto rendimiento cuántico, mientras que el óxido de hierro (IO) exhibe propiedades de relajación adecuadas para la imagen por resonancia magnética (IRM). Esta tesis tiene como objetivo sintetizar y explorar las propiedades luminiscentes y magnéticas de los agentes de contraste a base de hierro y zinc para aplicaciones potenciales en imagen diagnóstica. Se obtuvieron compuestos incluyendo ZnO, IO, sulfuro de cobre-indio-zinc/sulfuro de zinc (CIS/ZnS) y óxido de zinc dopado con hierro (FeZnO) e incorporados en un copolímero de ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA) para aumentar su estabilidad en entornos biológicos. La caracterización de los sistemas poliméricos se llevó a cabo utilizando dispersión de luz dinámica (DLS) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Las propiedades ópticas se examinaron a través de espectros de absorción y fluorescencia, mientras que las propiedades magnéticas se cuantificaron utilizando mediciones de tiempo de relajación transversal y longitudinal. El primer sistema se evaluó en base a nanopartículas de PLGA que contenían ZnO y IO. Con una proporción de PLGA:ZnO de 10:6:1, se obtuvo un agente de contraste dual con emisión a 540 nm cuando se excitó a 343 nm y un fuerte efecto T2 con una relajación r2 de 171 mmol L-1 s-1 a 7 teslas. El tamaño de las nanopartículas determinado por DLS fue de aproximadamente 200 nm con un PDI inferior a 0,3, mientras que las partículas de ZnO e IO incorporadas tenían alrededor de 4 nm y 8 nm, respectivamente. La investigación de un segundo agente de contraste que implica el dopaje de nanopartículas de ZnO con hierro reveló que una concentración molar de hierro entre 0,1% y 1,0%, y un tiempo de adición de dopante de 30 minutos, produjeron un material luminiscente con emisión a 540 nm cuando se excitó a 343 nm, con tamaños de nanopartículas de aproximadamente 4 nm. Las propiedades magnéticas mostraron tanto características de relajación T1 como T2, con r2 = 18,47 mmol L-1 s-1 y r1 = 1,79 mmol L-1 s-1 a 7T para la muestra FeZnO0.1. La investigación de un tercer agente de contraste basado en compuestos de sulfuro de cobre-indio-zinc reveló que las nanopartículas dopadas con hierro y los sistemas de núcleo-cubierta perdieron sus propiedades luminiscentes. Sin embargo, la co-encapsulación de agentes de contraste a base de sulfuro de cobre-indio-zinc y óxido de hierro dentro del polímero PLGA resultó en un sistema caracterizado por una fuerte emisión a 650 nm cuando se excitó a 365 nm y 525 nm, junto con propiedades magnéticas que exhibieron un efecto T2 a 7T. En general, este estudio destaca el potencial de los agentes de contraste a base de hierro y zinc para aplicaciones en imagen diagnóstica.

En raison de la toxicité associée aux composés inorganiques tels que le cadmium et le gadolinium, le choix des agents de contraste pour les diagnostics est crucial. Les composés à base de zinc et de fer sont apparus comme des alternatives potentielles en raison de leur abondance, de leur faible coût et de leur faible toxicité. L'oxyde de zinc (ZnO) offre une luminescence élevée grâce à son rendement quantique élevé, tandis que l'oxyde de fer (IO) présente des propriétés de relaxivité adaptées à l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette thèse vise à synthétiser et explorer les propriétés luminescentes et magnétiques des agents de contraste à base de fer et de zinc pour des applications potentielles en imagerie diagnostique. Des composés incluant ZnO, IO, sulfure de cuivre-indium-zinc/sulfure de zinc (CIS/ZnS) et oxyde de zinc dopé au fer (FeZnO) ont été obtenus et incorporés dans un copolymère d'acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA) pour augmenter leur stabilité dans les environnements biologiques. La caractérisation des systèmes polymères a été réalisée en utilisant la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la microscopie électronique en transmission (TEM). Les propriétés optiques ont été examinées à travers les spectres d'absorption et de fluorescence, tandis que les propriétés magnétiques ont été quantifiées en utilisant des mesures de temps de relaxation transverse et longitudinale. Le premier système a été évalué sur la base de nanoparticules de PLGA contenant ZnO et IO. Avec un rapport PLGA:ZnO de 10:6:1, un agent de contraste double a été obtenu avec une émission à 540 nm lorsqu'excité à 343 nm et un fort effet T2 avec une relaxivité r2 de 171 mmol L-1 s-1 à 7 teslas. La taille des nanoparticules déterminée par DLS était d'environ 200 nm avec un PDI inférieur à 0,3, tandis que les particules de ZnO et IO incorporées étaient respectivement d'environ 4 nm et 8 nm. L'investigation d'un second agent de contraste impliquant le dopage de nanoparticules de ZnO avec du fer a révélé qu'une concentration molaire de fer comprise entre 0,1 % et 1,0 %, et un temps d'ajout de dopant de 30 minutes, produisaient un matériau luminescent avec une émission à 540 nm lorsqu'excité à 343 nm, avec des tailles de nanoparticules d'environ 4 nm. Les propriétés magnétiques ont affiché à la fois des caractéristiques de relaxation T1 et T2, avec r2 = 18,47 mmol L-1 s-1 et r1 = 1,79 mmol L-1 s-1 à 7T pour l'échantillon FeZnO0.1. L'investigation d'un troisième agent de contraste basé sur des composés de sulfure de cuivre-indium-zinc a révélé que les nanoparticules dopées au fer et les systèmes à cœur-coquille perdaient leurs propriétés luminescentes. Cependant, la co-encapsulation d'agents de contraste à base de sulfure de cuivre-indium-zinc et d'oxyde de fer dans le polymère PLGA a abouti à un système caractérisé par une forte émission à 650 nm lorsqu'excité à 365 nm et 525 nm, ainsi que par des propriétés magnétiques présentant un effet T2 à 7T. Dans l'ensemble, cette étude met en évidence le potentiel des agents de contraste à base de fer et de zinc pour les applications en imagerie diagnostique.