Sintesis Berbantu Mikrogelombang 5 Menit dari Titik Karbon yang Dilapisi Polidopamina dengan Hasil Kuantum 5 % dan Efisiensi Fototermal 35 % untuk Terapi Kanker
Abstrak
Titik karbon (CD) adalah nanomaterial floresien yang dihargai karena fotoluminesensi yang dapat disesuaikan, konversi fototermal yang tinggi, dan biokompatibilitas yang baik. Peningkatan hasil kuantum (QY) biasanya memerlukan passivasi permukaan atau doping heteroatom, terutama nitrogen. Dalam studi ini, kami menyajikan sintesis satu-tanpa cepat berbantu mikrogelombang yang mengintegrasikan passivasi polidopamina (PDA) ke dalam langkah pirolisis 5 menit, yang secara signifikan menyederhanakan protokol dibandingkan dengan metode hidrothemal konvensional. Titik karbon yang fungsionalkan PDA (CD-PDA) telah dikarakterisasi dengan DLS, FT-IR, UV-Vis, dan spektroskopi floresi. Doping nitrogen yang diperkenalkan oleh PDA meningkatkan QY dari <5 % menjadi 5 % (peningkatan hampir tiga kali lipat) dan meningkatkan hasil sekitar 1,5 kali lipat karena nukleasi yang ditingkatkan melalui grup fenolik. CD-PDA juga menunjukkan efisiensi konversi fototermal 35 %, yang melebihi banyak agen fototermal berbasis emas. Pentingnya, lapisan PDA mempertahankan grup fungsional yang memungkinkan konjugasi lebih lanjut melalui kimia penambahan Michael atau basis Schiff, membuka jalan bagi pengiriman obat terpadu atau aplikasi teranostik.
Latar Belakang
Titik karbon adalah kelas unik struktur nanokarbon nol-dimensi yang menggabungkan hibridisasi sp² dan sp³ dengan elektron π melimpah, mendorong situs defek dan pengiklanan heteroatom yang menggerakkan proses konversi cahaya-ke-panah atau cahaya-ke-foton. sejak isolasi pertama dari pembersihan nanoribuan karbon tunggal terhubung ark dalam 2004, CD telah dimanfaatkan dalam bioimaging, terapi fototermal (PTT), terapi fotodinamis (PDT), dan biosensing, karena fluoresensinya yang dapat disesuaikan, konversi fototermal yang tinggi, dan biokompatibilitas bawaan. Banyak rute sintesis ada—ablasi laser, oksidasi asam, perawatan hidrothemal, pirolisis mikrogelombang, oksidasi elektrokemikal, iradiasi ultrasonik, dan metode plasma—namun mencapai QY tinggi dan absorpsi NIR yang kuat masih tantangan.
Mengikalkan heteroatom nitrogen adalah strategi teruji untuk meningkatkan fluoresensi CD. Misalnya, CD yang fungsionalkan polyetilenimina (PEI) yang disiapkan dengan pirolisis mikrogelombang 700 W gliserol dan PEI bercabang mencapai QY 15,3 % dan diterapkan dalam citra sel dan pengiriman gen. CD yang diikalkan N dan P yang berasal dari ATP melalui perawatan hidrothemal mencapai QY 9,8 %. Senyawa fenolik seperti asam ferulik juga telah ditunjukkan meningkatkan pertumbuhan CD dengan bertindak sebagai benih katalitik.
Polidopamina (PDA), polimer mirip melanin yang terbentuk dari polimerisasi mandiri dopamin, kaya akan grup katekol, amina, dan hidroksil fenolik. Fungsionalitas ini membuat PDA agen passivasi dan katalitik yang menarik untuk CD. Berdasarkan premis ini, kami mengembangkan protokol pirolisis mikrogelombang satu-tanpa 5 menit untuk sintesis CD yang dilapisi PDA, mengevaluasi properti fisikokimia, fotoluminesensi, kinerja fototermal, dan sitotoksisitas.
Hasil dan Pembahasan
Sintesis dan Karakterisasi CD-PDA
CD-PDA dibuat dengan mencampur 6 mL PDA pra-polimersi (2 jam pada pH 8,5) dengan 20 mL gliserol dan menempatkan campuran pada oksidasi mikrogelombang 500 W selama 5 menit. Untuk perbandingan, kontrol CD diproduksi dari gliserol saja dalam kondisi yang sama. Sintesis yang dimediasi PDA menghasilkan massa produk sekitar 1,5 kali lipat lebih tinggi, yang dapat dikaitkan dengan grup fenolik yang meningkatkan nukleasi.
Ilustrasi skematis jalur sintesis CD-PDA.
Pencaran cahaya dinamis menunjukkan diameter hidrodinamik 51,5 ± 19,5 nm untuk CD-PDA, dengan potensial zeta –27,5 ± 0,4 mV, yang menunjukkan lapisan PDA bermuatan negatif. Kontrol CD menunjukkan 5,5 ± 2,5 nm. Citra TEM mengonfirmasi partikel bola monodisperse dengan diameter sekitar 25 nm untuk CD-PDA dan sekitar 5 nm untuk CD, yang mencerminkan peningkatan ukuran 20 nm setelah passivasi PDA.
Morfologi, spektrum FT-IR, dan spektrum UV-Vis CD-PDA dan CD.
Spektrum FT-IR menunjukkan gerakan O-H katekol karakteristik (~3400 cm⁻¹) dan pita C=C aromatik (~1600 cm⁻¹), mengonfirmasi integrasi PDA. Puncak baru pada 1642, 1588, dan 1640 cm⁻¹ sesuai dengan getaran C=O, N-H, dan C-N, memberikan bukti passivasi permukaan yang berhasil. Spektrum UV-Vis menunjukkan absorpsi lebar dari 200 hingga 900 nm, terutama di wilayah NIR, ciri khas kemampuan fototermal PDA. CD-PDA menunjukkan puncak pada 274 dan 370 nm, sementara CD puncak pada 260 dan 330 nm; pergeseran batokromik mencerminkan perkenalan amidogen dari PDA.
Fotoluminesensi CD-PDA
Puncak emisi CD-PDA bergeser dari 450 ke 500 nm seiring variasi panjang gelombang eksitasi dari 350 hingga 420 nm, menunjukkan fluoresensi yang dapat disesuaikan. Mikroskopi flores dan citra UV makroskopis (365 nm) mengonfirmasi emisi yang lebih kuat dibandingkan CD. QY, diukur terhadap kuinin sulfat (54 % QY), adalah 5 %, hampir tiga kali lipat kontrol CD. Intensitas fluoresensi tetap stabil selama 2100 s irradiasi 365 nm, menunjukkan fotoluminesensi yang kuat.
Properti optik CD-PDA dan CD.
Studi optimisasi menunjukkan pra-polimersi dopamin selama 2 jam menghasilkan fluoresensi maksimal, sementara variasi konsentrasi PDA (3–9 mg mL⁻¹) menghasilkan respons berbentuk lonceng. Kondisi asam (pH 5) meningkatkan fluoresensi lebih lanjut, yang menunjukkan performa yang menguntungkan dalam mikroenvironment tumor.
Kinerja Fototermal dan Sitotoksisitas CD-PDA
Efektivitas Fototermal
Pada iradiasi 808 nm, 2 W cm⁻² selama 10 menit, CD-PDA (200 µg mL⁻¹) meningkatkan suhu sebesar 27 °C, sebanding dengan PDA sendirian (30 °C) dan secara signifikan lebih tinggi dari CD (7,5 °C). Kurva pemanasan bergantung pada konsentrasi mengonfirmasi korelasi langsung antara beban CD-PDA dan kenaikan suhu, dengan efisiensi konversi fototermal 35 %—melebihi nanobatang emas (22 %).
Properti konversi fototermal CD-PDA dan CD.
Viabilitas Sel In Vitro
Ujian MTT pada sel HeLa menunjukkan viabilitas bergantung pada dosis. CD-PDA mempertahankan >80 % viabilitas hingga 100 µg mL⁻¹, mengungguli CD dan cocok dengan profil PDA. Setelah iradiasi 808 nm (5 menit), CD-PDA mengurangi viabilitas sel menjadi 30 % pada 200 µg mL⁻¹, mengonfirmasi pembunuhan fototermal yang kuat sambil mempertahankan toksisitas gelap rendah.
Sitotoksisitas in vitro CD-PDA, CD, dan PDA.
Kesimpulan
Kami telah menetapkan protokol berbantu mikrogelombang 5 menit yang efisien untuk sintesis CD yang dilapisi PDA. CD-PDA yang dihasilkan menunjukkan QY 5 %, efisiensi konversi fototermal 35 %, dan hasil yang ditingkatkan karena nukleasi yang diinduksi PDA. Studi in vitro mengungkapkan biokompatibilitas yang baik dan efek terapeutik fototermal yang signifikan, dengan lapisan PDA menawarkan jalan bagi fungsionalisasi lebih lanjut melalui kimia penambahan Michael atau basis Schiff.
Metode/Eksperimen
Bahan
Semua reagensi adalah grade analitis. Hidroklorida dopamin (Sigma-Aldrich), kuinin sulfat (Fluka), gliserol (>99 %), buffer Tris (10 mM, pH 8,5), DMSO (>99,8 %), membran dialisis (MWCO 1000 Da), MTT, tripsin, dan antibiotik (Beyotime) digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Sel HeLa diperoleh dari ATCC. DMEM dan FBS diperoleh dari HyClone dan Biological Industries, masing-masing.
Instrumentasi dan Karakterisasi
FT-IR (Nicolet 380), UV-Vis-NIR (Perkin-Elmer Lambda 750), floresi (Tecan Infinite 200PRO), DLS (Malvern Nano-ZS), TEM (FEI Tecnai G), dan oven mikrogelombang domestik 500 W (Galanz) digunakan untuk analisis.
Persiapan CD-PDA dan CD
Dopamin (50 mg) dilarutkan dalam 10 mL Tris (pH 8,5) dan diaduk pada suhu ruangan selama 2 jam untuk membentuk PDA. Sintesis CD-PDA melibatkan pencampuran 6 mL PDA ini dengan 20 mL gliserir, diikuti oleh oksidasi mikrogelombang 5 menit pada 500 W, kemudian dialisis (48 jam, MWCO 1000 Da) dan liofilisasi. CD disiapkan secara serupa tetapi tanpa PDA.
Penentuan Hasil Kuantum Floresi
QY diukur menggunakan kuinin sulfat (0,1 M H₂SO₄, QY = 54 %) sebagai standar. Sampel diencerkan hingga densitas optik <0,02 pada 350 nm, dan floresi terintegrasi (380–700 nm) dibandingkan dengan standar menggunakan rumus F = Fₛₜ(GradX/GradST)(RX²/RST²).
Pengukuran Fototermal
Sampel (200 µg mL⁻¹) ditempatkan sel kuarsa dan diiradiasi dengan laser 808 nm, 2 W cm⁻². Suhu dicatat setiap menit selama 10 menit; kurva pendinginan diperoleh setelah iradiasi. Efisiensi fototermal dihitung mengikuti protokol yang established.
Kultur Sel
Sel HeLa dikultur dalam DMEM (glukosa tinggi) yang dilengkapi dengan 10 % FBS dan antibiotik pada 37 °C, 5 % CO₂.
Ujian MTT
Sel (2 × 10⁴ sel well⁻¹) diinkubasi dengan konsentrasi yang bervariasi CD-PDA (10–100 µg mL⁻¹) selama 24 jam, diikuti dengan MTT (5 mg mL⁻¹) selama 4 jam. Absorbansi pada 490 nm diukur, dan viabilitas dinyatakan sebagai persentase relatif terhadap kontrol yang tidak diobati.
