Surface-engineered lanthanide nanoparticles for biomedicine

Abstract

Světlo-konvertující nanočástice dopované lanthanidy (UCNPs) představují inovativní nanomateriál schopný měnit světlo z blízké infračervené oblasti (NIR) na viditelné nebo ultrafialové záření s vyšší energií prostřednictvím mechanismů vícefotonové excitace. Jejich jedinečné optické vlastnosti spolu s nízkou autofluorescencí a hlubokou penetrací NIR světla do tkání je činí obzvláště atraktivními pro biomedicínské aplikace, včetně zobrazování, podávání léčiv a fotodynamické terapie. Jejich praktické využití je však omezeno výzvami, jako je nízká účinnost konverze světla (UC), špatná koloidní stabilita ve fyziologickém prostředí a potenciální cytotoxicita. Tato studie představuje novou strategii pro syntézu NaYF4:Yb,Er UCNPs s regulovatelnou velikostí i distribucí velikosti, krystalinitou a optickými vlastnostmi založenou na vysokoteplotní koprecipitaci lanthanidových prekursorů. V kombinaci s hydrotermální metodou umožnil tento přístup přípravu ultramalých UCNPs. Regulace podmínek syntézy, zejména obsahu vody v reakční směsi a tlaku, umožnila kontrolovat velikost částic v rozmezí 7-240 nm. Kromě toho zavedení inertní NaYF4 slupky kolem částic umožnilo vznik "core- shell" architektury, která zvýšila luminiscenci až 170 krát díky účinnému potlačení povrchového zhášení a neradiačních ztrát. Strategie...

Lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs) have emerged as a powerful optical nanomaterial capable of converting near-infrared radiation (NIR) into higher energy, visible, or ultraviolet emission via multiphoton excitation mechanisms. Their unique optical properties, combined with low autofluorescence background and deep tissue penetration of NIR, make them particularly attractive for biomedical applications, including imaging, drug delivery, and photodynamic therapy. However, their practical use remains limited by challenges such as low upconversion (UC) efficiency, poor colloidal stability in physiological environments, and potential cytotoxicity. The aim of this study was to develop UCNPs characterized by improved UC efficacy, stability in physiological media, and biocompatibility. To achieve these goals, our synthetic strategy was based on high-temperature coprecipitation for the fabrication of NaYF4:Yb,Er UCNPs with controlled size, particle size distribution, crystallinity, and optical properties. When combined with hydrothermal treatment, this approach enabled the preparation of ultrasmall UCNPs. Moreover, by modulating the synthesis conditions, i.e., water content and pressure, particle size was tuned from 7 to 240 nm. The subsequent growth of an inert NaYF4 shell on the core...