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Master's Dissertation
Document
Author
Full name
Marylyn Setsuko Arai
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Bernardez, Andréa Simone Stucchi de Camargo Alvarez (President)
Caiut, José Maurício Almeida
Nassar, Eduardo Jose
Title in Portuguese
Síntese e caracterização de nanopartículas emissoras de luz por conversão ascendente de energia (UCNPS) funcionalizadas para uso em aplicações biológicas
Keywords in Portuguese
Fotoinativação de bactérias
Ftalocianinas de silício
Materiais teranósticos
Oxigênio Singleto
Abstract in Portuguese
As nanopartículas emissoras de luz por conversão ascendente de energia (UCNPs) têm atraído grande interesse nos últimos anos devido à sua versatilidade e capacidade de converter radiação menos energética em fótons de maior energia. Quando combinadas com outras moléculas, as UCNPs podem ser empregadas em um grande número de bioaplicações e, apesar de encontrar um de seus maiores usos na terapia fotodinâmica (PDT) de células cancerígenas, os mesmos princípios podem ser empregados na fotoinativação de bactérias (PDI). Nos últimos 20 anos a resistência bacteriana têm se tornado um dos maiores problemas de saúde pública e novas estratégias precisam ser desenvolvidas para superar esse desafio. Nesse trabalho, nós apresentamos a síntese e caracterização de nanopartículas de NaYF4 dopadas com Yb3+ (20%) e Er3+ (2%) e funcionalizadas para uso em PDI. As UCNPs foram sintetizadas utilizando-se o método de co-precipitação e foram revestidas com uma camada de sílica mesoporosa (@mSiO2) visando o aumento da dispersibilidade em água, o incremento da área superficial e a possibilidade de funcionalizações, e a diminuição da citotoxicidade do material. As UCNP@mSiO2 foram decoradas com moléculas orgânicas e com o fotossensibilizador (PS) ftalocianina de silício (SiPc) para estudo de sua interação e efeito bactericida contra cepas bacterianas Gram positivas e negativas. Diferentes abordagens foram utilizadas em busca de nanopartículas com as melhores propriedades: tamanho, forma, geração de oxigênio singleto e estabilidade em solução aquosa. Verificou-se que a transferência de energia entre as UCNPs e as SiPc em sua superfície é muito dependente do tipo de funcionalização realizada e da extensão com que as moléculas de PS adentram os poros da sílica. O material final apresentou toxicidade na ausência de luz contra a bactéria E. coli, enquanto a viabilidade das cepas de S. aureus não foi afetada no escuro. A excitação direta da SiPc nas nanopartículas levou a completa erradicação da E. coli e um drástico decréscimo no número de unidades formadoras de colônia (CFU) da S. aureus de até sete ordens de magnitude. Com esse estudo demonstramos diferentes estratégias para sintetizar e potencializar o uso das UCNPs como agentes teranósticos, principalmente para uso em PDI.
Title in English
Synthesis and Characterization of Upconversion Nanoparticles Functionalized for Biological Applications
Keywords in English
Photodynamic inactivation of bacteria
Silicon Phtalocyanine
Singlet Oxygen
Theranostic Materials
Abstract in English
Lanthanide-doped upconverting nanoparticles (UCNPs) that emit high-energy photons upon excitation by low-energy near infrared (NIR) light, have garnered great interest in recent years due to their versatility. These nanoparticles combined to other molecules can be used for a broad range of bio-applications as theranostic agents, for bioimaging, drug and gene delivery and photodynamic therapy (PDT) applications. Although phototherapy is commonly used in the treatment of cancer, the same principles can be applied for the inactivation of bacteria (PDI). In the last twenty years bacterial resistance against antibiotics has become a critical public health issue and new strategies are needed to overcome this challenge. Herein, we describe the synthesis, detailed characterization and application of functionalized NaYF4: Yb (20%), Er (2%) UCNPs for use in PDT and especially for PDI. The UCNPs are produced using the co-precipitation method and covered with a mesoporous silica shell to enhance the dispersibility in water, increase the surface area and grant functionalization possibility and to decrease cytotoxicity. The nanoparticles were decorated with different molecules and functionalized with the photosensitizer (PS) silicon phthalocyanine (SiPc) to study interaction and enhance the bactericidal effect against Gram positive (+) and Gram negative (-) bacteria. Different approaches were used to identify the best particles concerning the shape, size, photophysical properties, generation of singlet oxygen and stability in water. It was verified that the energy transfer (FRET) efficiency from the UCNP towards SiPc depended on the surface functionalization and resulting encapsulation depths of the PS into the mesoporous silica. Functionalized UCNPs displayed dark toxicity towards Gram (-) E. coli while Gram (+) S. aureus viability was not decreased in the dark. Directly exciting the PS on the UNCP led to complete eradication of E. coli and a drastic decrease of colony forming units of S. aureus of up to seven orders of magnitude. Through this study we demonstrate different strategies to synthesize and potentialize the use of UCNPs as theranostic agents, mainly for use in PDI.
 
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Publishing Date
2019-08-27
 
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