Mikrokapsel Polielektrolit Fluoresien dengan Pengkodean Titik Kuantum untuk Aplikasi Theranostik Lanjutan

Abstrak

Mikrokapsel polielektrolit muncul sebagai pengangkar serbaguna untuk obat, agen pengcit, dan nanomaterial. Di sini kami melaporkan jalur pembuatan yang kuat yang mengintegrasikan titik kuantum (QD) CdSe/ZnS yang larut dalam air dan stabil dengan ligand polietilena glikol (PEG) tri-fungsi ke dalam cangkang polielektrolit. Kapsul yang dienkode QD sepenuhnya dikarakterisasi dengan pencaharan cahaya dinamis, mobilitas elektroforetik, mikroskopi elektron pemindaian, dan mikroskopi fluoresens/konfokal. Kami mengukur distribusi ukuran, muatan permukaan, morfologi, sifat optik, dan dinamika waktu hidup fluoresens, dan mengidentifikasi pemuatan QD optimal yang memaksimalkan kecerahan sambil mempertahankan integritas struktural. Terakhir, kami menunjukkan internalisasi yang efisien dari kapsul oleh makrofagus tikus, mengonfirmasi kesesuaiannya untuk citra sel hidup dan aplikasi theranostik.

Latar Belakang

Pengiriman dan pengcit terapeutik yang ditargetkan tetap menjadi pusat dari medicina translasi. Mikrokapsel polielektrolit, yang dirakit dengan penapisan lapis demi lapis dari polimer bermuatan berlawanan, dapat mengenkapsulasi obat, nanopartikel logam, atau sonde fluoresens, memungkinkan peluncuran yang terkontrol dan pelacakan real-time muatan [1–4]. Dengan mengenkode cangkang ini dengan titik kuantum semikonduktor, kami mendapatkan agen yang secara simultan mengantarkan muatan terapeutik dan memberikan sinyal pengcit yang kontras tinggi dan fotostabil [5–6].

Pendekatan lapis demi lapis (LbL) menawarkan kontrol yang halus atas ketebalan dinding, porositas, dan kimia permukaan, menjadikannya ideal untuk sistem responsif stimuli [10–14]. QD, dengan pita penyerapan yang luas dan pita emisi yang sempit, memungkinkan eksitasi multiplex dari satu sumber cahaya, unggul dibanding pewarna konvensional dalam kecerahan dan fotostabilitas [19–24].

Kerja sebelumnya telah mengenkode kapsul polielektrolit dengan pewarna organik atau titik karbon, tetapi strategi ini sering memerlukan perawatan termal yang kasar atau menghasilkan struktur yang kaku dan kurang responsif [25–30]. Studi kami memperkenalkan metode transfer QD air yang lebih lembut yang mempertahankan fleksibilitas dan responsivitas kapsul sambil menyediakan performa optik yang unggul.

Eksperimen

Solubilasi dan Karakterisasi Titik Kuantum

QD CdSe/ZnS inti/cangkang (λmax = 590 nm) disumbangkan oleh Dr. Pavel Samokhvalov (MEPhI). QD hidrofobik diubah menjadi larut dalam air dengan pertukaran ligand: TOPO diganti dengan d,l‑cysteine, kemudian diganti dengan HS–PEG12–COOH (Thermo Fisher). Setelah pencucian berulang, QD dispersi dalam NaOH 0,1 M, di sonikasi, di sentrifugasikan, dan difilter melalui membran 0,22 µm. Konsentrasi QD ditentukan spektrofotometrik pada puncak eksiton pertama, dan partikel distabilkan dengan menambahkan HS–PEG12–COOH pada rasio molar 1:4,6, diikuti oleh inkubasi 24–48 jam pada 2–8 °C.

Sintesis Mikropartikel Karbonat Kalsium

Mikrosfera karbonat kalsium disiapkan dengan mencampur larutan Na2CO3 dan CaCl2 setimol (0,33 M masing-masing) di bawah pengacakan yang dikontrol (250, 500, 750 rpm). Setelah 15–60 detik, larutan ditiadakan, dicuci dengan air MilliQ, dan dikeringkan pada 60 °C selama 90 menit. Ukuran partikel optimal (4–6 µm) dan morfologi teratur dicapai pada 250 rpm dan 30 detik pengacakan, seperti yang dikonfirmasi oleh SEM (Gambar 1).

Persiapan Mikrokapsel Polielektrolit yang Dikenkode QD

Inti karbonat kalsium pertama kali dilapisi dengan lima pasang lapis PAH/PSS (polialilamina hidroklorida dan polinatrium 4-stirensulfonat), yang diakhiri dengan lapis PAH. QD kemudian diadsorpsi pada permukaan yang bermuatan positif, diikuti oleh lapis PAH/PSS tambahan dan lapis PAH akhir. Inti dikeluarkan dengan tiga inkubasi berturut-turut selama 15 menit dalam EDTA 0,2 M (pH 6,5), menghasilkan mikrokapsel rongga. Untuk studi interaksi sel, lapis BSA akhir (1 %) diterapkan untuk mengurangi ikatan non-spesifik.

Teknik Karakterisasi

Diameter hidrodinamik dan potensial zeta diukur dengan DLS dan mobilitas elektroforetik (Malvern Zetasizer NanoZS). Waktu hidup fluoresens direkam dengan laser YAG:Nd3+ berpulsa (350 ps, 50 Hz) dan detektor fotomultiplier. Pemuatan QD diukur dengan mengukur QD yang tidak terikat dalam surnatan. SEM (JEOL JSM‑7001F) memvisualisasikan morfologi partikel, sementara mikroskopi fluoresens dan konfokal (Zeiss Axio Scope, Leica TCS SP5) menilai sifat optik dan penyerapan sel.

Studi Penyerapan Sel

Makrofagus alveolus tikus (MH‑S) diinkubasi dengan sekitar 1,2 × 10^6 kapsul QD yang dilapisi BSA dan dienkode untuk 4 jam (jangka pendek) atau 24 jam (jangka panjang). Setelah pewarnaan inti dengan DRAQ5, citra konfokal mengungkapkan internalisasi kapsul individu dan agregat, dengan penyerapan yang lebih tinggi setelah paparan yang lebih lama (Gambar 9).

Analisis Statistik

Data mewakili rata-rata ± SD dari paling tidak tiga eksperimen independen, dianalisis dengan Excel dan Origin Pro.

Hasil dan Pembahasan

Sintesis dan Karakterisasi Mikropartikel Karbonat Kalsium

Kondisi pengacakan optimal (250 rpm, 30 detik) menghasilkan partikel hampir sferis (4–6 µm) dengan agregasi minimal (Gambar 1). Citra SEM mengonfirmasi permukaan poros yang terdiri dari butir sub-mikron, yang cocok untuk susunan LbL berikutnya.

Persiapan dan Karakterisasi Mikrokapsel yang Dikenkode QD

QD menunjukkan puncak emisi yang sempit pada 590 nm dan diameter hidrodinamik sekitar 25 nm (Gambar 2). Penyusunan PAH/PSS berurutan membalikkan muatan permukaan seperti yang diharapkan (Tabel 1). Citra SEM (Gambar 4) menunjukkan pengkalan cangkang bertahap, sementara mikroskopi fluoresens mengonfirmasi kehadiran QD dalam cangkang (Gambar 5). Citra konfokal (Gambar 6) mengungkapkan rongga kosong yang jelas, yang menunjukkan pelarutan inti yang berhasil.

Efisiensi Pengkodean

QD diadsorpsi pada permukaan yang bermuatan positif dengan kenaikan linier hingga pemuatan sekitar 2,24 mg; konsentrasi yang lebih tinggi mengarah pada saturasi dan penyerapan yang berkurang (Gambar 7a). Intensitas fluoresens platFOrm di seluruh rentang pemuatan, menyediakan kontras yang cukup untuk pengcit (Gambar 7b).

Waktu Hidup Fluoresens

QD murni menunjukkan waktu hidup terpanjang, yang berkurang setelah dimasukkan ke dalam mikropartikel dan lebih lanjut setelah penghapusan inti (Tabel 2). Waktu hidup stabil setelah 48 jam, yang menunjukkan efek fotoblenjing jangka panjang yang dapat diabaikan.

Interaksi Seluler

Citra konfokal menunjukkan fagositosis yang efisien dari kapsul tunggal dan agregat oleh sel MH‑S setelah inkubasi 4 jam dan 24 jam (Gambar 9). Kapsul jelas dapat dibedakan dari inti dan sering kali muncul menempel atau di dalam sel, mengonfirmasi potensinya sebagai agen citra sel hidup.

Kesimpulan

Kami telah menetapkan metode air yang dapat diskala untuk mengintegrasikan QD yang larut dalam air dan stabil PEG ke dalam mikrokapsel polielektrolit. Kapsul yang dihasilkan menunjukkan ukuran seragam, fluoresens yang kuat, dan penyerapan seluler yang efisien, memosisikan mereka sebagai platform theranostik yang menjanjikan untuk pengiriman obat yang ditargetkan dan citra real-time.

Singkatan

EDTA

Etilendiamin tetraasetat disodium

PAA

Asam poliakrilik

PAH

Polikation polialilamina hidroklorida

PEG

Polietilena glikol

PSS

Polianion polinatrium 4-stirensulfonat

QD

Titik kuantum

RPMI medium

Medium Roswell Park Memorial Institute

SEM

Mikroskopi elektron pemindaian

TOPO

Trioctylfosfin oksida