5-minütige mikrowellenunterstützte Synthese von Polydopamin-passivierten Kohlenstoffpunkten mit 5 % Quantenausbeute und 35 % photothermischer Effizienz für Krebstherapie

Zusammenfassung

Kohlenstoffpunkte (CDs) sind fluoreszierende Nanomaterialien, die für ihre einstellbare Photolumineszenz, hohe photothermische Konversion und ausgezeichnete Biokompatibilität geschätzt werden. Die Steigerung ihrer Quantenausbeute (QY) erfordert typischerweise Oberflächenpassivierung oder Heteroatom-Dotierung, insbesondere Stickstoff. In dieser Studie präsentieren wir eine schnelle, eintöpfige mikrowellenunterstützte Synthese, die Polydopamin (PDA)-Passivierung in einen 5-minütigen Pyrolyse-Schritt integriert und das Protokoll im Vergleich zu konventionellen hydrothermalen Methoden deutlich vereinfacht. Die resultierenden PDA-funktionalisierten CDs (CD-PDA) wurden durch DLS, FT-IR, UV-Vis und Fluoreszenzspektroskopie charakterisiert. Die durch PDA eingeführte N-Dotierung erhöhte die QY von <5 % auf 5 % (nahezu Verdreifachung) und verbesserte den Ertrag um ~1,5-fach durch verstärkte Nukleation über phenolische Gruppen. CD-PDA zeigte auch eine photothermische Konversionseffizienz von 35 %, die viele goldbasierte photothermische Agenten übertrifft. Wichtig ist, dass die PDA-Beschichtung funktionelle Gruppen beibehält, die weitere Konjugation über Michael-Addition oder Schiff-Basen-Chemie ermöglichen und Wege für gezielten Wirkstofftransport oder theranostische Anwendungen eröffnen.

Hintergrund

Kohlenstoffpunkte sind eine einzigartige Klasse null-dimensionaler Kohlenstoffnanostrukturen, die sp²- und sp³-Hybridisierung mit reichlich π-Elektronen kombinieren, was Defektstellen und Heteroatomeinbau fördert, die ihre Licht-zu-Wärme- oder Licht-zu-Photon-Konversionsprozesse antreiben. Seit ihrer ersten Isolierung aus der Reinigung von bogenentladenen einwandigen Kohlenstoffnanoröhren 2004 wurden CDs in Bioimaging, photothermischer Therapie (PTT), photodynamischer Therapie (PDT) und Biosensing eingesetzt, aufgrund ihrer einstellbaren Fluoreszenz, hoher photothermischer Konversion und inhärenter Biokompatibilität. Es existieren diverse synthetische Wege – Laserablation, Säureoxidation, hydrothermale Behandlung, Mikrowellenpyrolyse, elektrochemische Oxidation, Ultraschallbestrahlung und Plasmamethoden – doch hohe QY und robuste NIR-Absorption bleiben herausfordernd.

Die Einbindung von Stickstoff-Heteroatomen ist eine bewährte Strategie zur Steigerung der CD-Fluoreszenz. Beispielsweise erreichten Polyethylenimin (PEI)-funktionalisierte CDs, hergestellt durch 700 W Mikrowellenpyrolyse von Glycerin und verzweigtem PEI, eine QY von 15,3 % und wurden in Zellimaging und Gentransport angewendet. N- und P-co-dotierte CDs, abgeleitet aus ATP via hydrothermaler Behandlung, erreichten 9,8 % QY. Phenolische Verbindungen wie Ferulasäure haben auch gezeigt, dass sie CD-Wachstum durch katalytische Keimbildung fördern.

Polydopamin (PDA), ein melaninähnliches Polymer, gebildet durch Dopamin-Selbstpolymerisation, ist reich an Catechol-, Amin- und phenolischen Hydroxylgruppen. Diese Funktionalitäten machen PDA zu einem attraktiven Passivierungs- und katalytischen Agenten für CDs. Aufbauend auf dieser Prämisse entwickelten wir ein eintöpfiges, 5-minütiges mikrowellenunterstütztes Pyrolyseprotokoll zur Synthese PDA-passivierter CDs und evaluierten ihre physikochemischen Eigenschaften, Photolumineszenz, photothermische Leistung und Zytotoxizität.

Ergebnisse und Diskussion

Synthese und Charakterisierung von CD-PDA

CD-PDA wurden durch Kombination von 6 ml vorpolymerisiertem PDA (2 h bei pH 8,5) mit 20 ml Glycerin und Unterwerfung der Mischung 5 Minuten 500 W Mikrowellenoxidation hergestellt. Zum Vergleich wurden Kontroll-CDs aus Glycerin allein unter identischen Bedingungen produziert. Die PDA-vermittelte Synthese ergab ~1,5-fach höhere Produktmasse, zuzuschreiben den phenolischen Gruppen, die die Nukleation verstärken.

Dynamische Lichtstreuung ergab einen hydrodynamischen Durchmesser von 51,5 ± 19,5 nm für CD-PDA mit einem Zeta-Potenzial von –27,5 ± 0,4 mV, was eine negativ geladene PDA-Beschichtung anzeigt. Kontroll-CDs zeigten 5,5 ± 2,5 nm. TEM-Bilder bestätigten monodisperse sphärische Partikel mit Durchmessern von ~25 nm für CD-PDA und ~5 nm für CDs, was die 20 nm Größenvergrößerung nach PDA-Passivierung widerspiegelt.

FT-IR-Spektren zeigten charakteristische Catechol-O-H-Streckungen (~3400 cm⁻¹) und aromatische C=C-Banden (~1600 cm⁻¹), was PDA-Integration bestätigt. Neue Peaks bei 1642, 1588 und 1640 cm⁻¹ entsprachen C=O-, N-H- und C-N-Schwingungen, was erfolgreiche Oberflächenpassivierung belegt. UV-Vis-Spektren zeigten breite Absorption von 200 bis 900 nm, besonders im NIR-Bereich, ein Kennzeichen von PDAs photothermischer Fähigkeit. CD-PDA zeigte Peaks bei 274 und 370 nm, während CDs bei 260 und 330 nm peakten; der bathochrome Shift reflektiert Amidogen-Einführung aus PDA.

Photolumineszenz von CD-PDA

CD-PDAs Emissionspeak verschob sich von 450 auf 500 nm, als die Anregungswellenlänge von 350 auf 420 nm variierte, was einstellbare Fluoreszenz demonstriert. Fluoreszenzmikroskopie und makroskopische UV-Bildgebung (365 nm) bestätigten stärkere Emission relativ zu CDs. Die QY, gemessen gegen Chinin-Sulfat (54 % QY), betrug 5 %, fast dreifach so hoch wie bei Kontroll-CDs. Die Fluoreszenzintensität blieb über 2100 s 365 nm-Bestrahlung stabil, was robuste Photolumineszenz anzeigt.

Optimierungsstudien zeigten, dass 2-stündige Dopamin-Vorpolymerisation maximale Fluoreszenz ergab, während Variation der PDA-Konzentrationen (3–9 mg ml⁻¹) eine glockenförmige Antwort produzierte. Saure Bedingungen (pH 5) verstärkten die Fluoreszenz weiter, was günstige Leistung in Tumor-Mikroumgebungen andeutet.

Photothermische Leistung und Zytotoxizitäten von CD-PDA

Phothermische Wirksamkeit

Unter 808 nm, 2 W cm⁻² Bestrahlung für 10 Minuten erhöhte CD-PDA (200 µg ml⁻¹) die Temperatur um 27 °C, vergleichbar mit PDA allein (30 °C) und signifikant höher als CDs (7,5 °C). Konzentrationsabhängige Erhitzungskurven bestätigten eine direkte Korrelation zwischen CD-PDA-Ladung und Temperaturanstieg, mit 35 % photothermischer Konversionseffizienz – übertreffend Goldnanostäbe (22 %).

In-vitro-Zellvitalität

MTT-Assays an HeLa-Zellen zeigten dosisabhängige Vitalität. CD-PDA behielt >80 % Vitalität bis 100 µg ml⁻¹ bei, übertraf CDs und entsprach PDAs Profil. Bei 808 nm-Bestrahlung (5 Minuten) reduzierte CD-PDA die Zellvitalität auf 30 % bei 200 µg ml⁻¹, was potente photothermische Abtötung bei erhaltener niedriger Dunkeltoxizität bestätigt.

Schlussfolgerungen

Wir haben ein optimiertes, 5-minütiges mikrowellenunterstütztes Protokoll zur Synthese PDA-passivierter CDs etabliert. Die resultierenden CD-PDA weisen 5 % QY, 35 % photothermische Konversionseffizienz und erhöhten Ertrag durch PDA-induzierte Nukleation auf. In-vitro-Studien zeigen ausgezeichnete Biokompatibilität und signifikanten photothermischen therapeutischen Effekt, wobei die PDA-Schicht Wege für weitere Funktionalisierung über Michael-Addition oder Schiff-Basen-Chemie bietet.

Methoden/Experimentell

Materialien

Alle Reagenzien waren analytischer Grad. Dopaminhydrochlorid (Sigma-Aldrich), Chininsulfat (Fluka), Glycerin (>99 %), Tris-Puffer (10 mM, pH 8,5), DMSO (>99,8 %), Dialysemembranen (MWCO 1000 Da), MTT, Trypsin und Antibiotika (Beyotime) wurden ohne weitere Reinigung verwendet. HeLa-Zellen wurden von ATCC bezogen. DMEM und FBS stammten von HyClone und Biological Industries.

Instrumentierung und Charakterisierung

FT-IR (Nicolet 380), UV-Vis-NIR (Perkin-Elmer Lambda 750), Fluoreszenz (Tecan Infinite 200PRO), DLS (Malvern Nano-ZS), TEM (FEI Tecnai G) und ein heimischer 500 W Mikrowellenofen (Galanz) wurden für Analysen eingesetzt.

Herstellung von CD-PDA und CDs

Dopamin (50 mg) wurde in 10 ml Tris (pH 8,5) gelöst und 2 Stunden bei Raumtemperatur gerührt, um PDA zu bilden. CD-PDA-Synthese umfasste Mischen von 6 ml dieses PDA mit 20 ml Glycerin, gefolgt von 5 Minuten Mikrowellenoxidation bei 500 W, dann Dialyse (48 h, MWCO 1000 Da) und Lyophilisierung. CDs wurden ähnlich, aber ohne PDA hergestellt.

Bestimmung der Fluoreszenz-Quantenausbeute

QY wurde mit Chininsulfat (0,1 M H₂SO₄, QY = 54 %) als Standard gemessen. Proben wurden auf optische Dichte <0,02 bei 350 nm verdünnt, und integrierte Fluoreszenz (380–700 nm) wurde mit der Formel F = Fₛₜ(Grad_X/Grad_ST)(R_X²/R_ST²) gegen den Standard verglichen.

Photothermische Messungen

Proben (200 µg ml⁻¹) wurden in Quarzzellen platziert und mit einem 808 nm, 2 W cm⁻² Laser bestrahlt. Temperatur wurde 10 Minuten lang jede Minute aufgezeichnet; Abkühlkurven wurden nach Bestrahlung erhalten. Photothermische Effizienz wurde nach etablierten Protokollen berechnet.

Zellkultur

HeLa-Zellen wurden in DMEM (hoher Glucose) mit 10 % FBS und Antibiotika bei 37 °C, 5 % CO₂ kultiviert.

MTT-Assay

Zellen (2 × 10⁴ Zellen pro Well) wurden mit variierenden Konzentrationen von CD-PDA (10–100 µg ml⁻¹) 24 Stunden inkubiert, gefolgt von MTT (5 mg ml⁻¹) für 4 Stunden. Absorption bei 490 nm wurde gemessen, und Vitalität wurde als Prozentsatz relativ zu unbehandelten Kontrollen ausgedrückt.