Nanoparticelle di silice ibridizzate con fluorofori NIR: studi per l'ingegnerizzazione molecolare

Progresses in nanomedicine and biotechnology require the development of bright and photostable nanomaterials. The general low photostability of organic fluorophores and their high sensitivity to environmental factors stimulated the development of new probes such as fluorescent silica nanoparticles. As for these latter, considering the wide commercial availability of fluorophores with different spectral properties, the possibility to produce fluorescent nanoparticles by the inclusion of organic dyes inside a silica matrix attracted particular interest. Independently of the fluorophore, the performance of the nanomaterial is determined by the dispersion of the dyes within the matrix because intermolecular quenching effects can occur. In this respect, the accurate control of the morphological/dimensional properties of the material and the in depth investigation on the photophysical properties of the loaded fluorophoresare mandatory to optimize nanoparticles overall brightness. In previous publications, nanoparticles homogeneous both in shape and size and loaded with trimethine cyanine dyes have been obtained by the reverse microemulsion technique, where the formation of the material results from the partition equilibria of the silica precursor (TEOS) and dye molecules between the oil and water phases, separated by surfactant molecules self-assembled in reverse micelles. In particular, the possibility to control the dyes dispersion throughout the silica matrix, by opportunely selecting molecules with defined hydrophilicity, was demonstrated. On this basis, this thesis was devoted to the development of silica nanoparticles loaded with dyes with photoemission properties shifted toward the NIR region, the ¿tissue window¿. However, the low stability of pentamethine cyanines at the basic pH conditions of the microemulsion, forced to choose different fluorophores; then, squaraines were selected due to the higher stability (provided by the squaric acid moiety), beside the structural similarity with respect to cyanines. Four squaraine dyes, differing for the affinity toward the water pool of reaction, were tested; for each molecule, hybrid nanoparticles were prepared and characterized in terms of size and morphology by transmission electron microscopy. Then, by the systematic comparison of the photophysical properties of the nanoparticles with respect to the correspondent fluorophore in solution, the distribution of the dyes throughout the solid matrix was determined. The relative change in the photoemission efficiency per dye was calculated by combining steady state and time resolved photoemission analyses. For all prepared samples a significant degree of fluorophores aggregation during nanoparticle preparation occurred, with consequent decrease of photoemission efficiency. However, for a portion of the entrapped molecules an increase of the fluorescence quantum yield was measured indicating a better degree of dispersion throughout the matrix. These data clearly demonstrate the possibility to improve squaraine photoemission properties by the inclusion in silica nanoparticles; however, further investigation will be necessary to elucidate molecular parameters ruling their dispersion during nanoparticle formation.

I progressi nel campo della nanomedicina e delle nanobiotecnologie richiedono lo sviluppo di nanomateriali altamente luminescenti e fotostabili. La bassa fotostabilità dei fluorofori organici e la loro alta sensibilità ai fattori ambientali hanno incoraggiato lo sviluppo di nuove sonde fotoluminescenti come le nanoparticelle di silice fluorescenti. Dunque, considerando l'ampia disponibilità commerciale di molecole fluorescenti con diverse proprietà spettroscopiche, ha suscitato molto interesse la possibilità di produrre nanoparticelle fluorescenti mediante l'inclusione di fluorofori organici nella matrice silicea. Indipendentemente dal fluoroforo, le prestazioni del nanomateriale sono determinate dalla distribuzione delle molecole fotoluminescenti all'interno della matrice, in quanto può verificarsi il quenching intermolecolare. Perciò il controllo accurato delle proprietà morfologiche/dimensionali del materiale e un'approfondita indagine sulle proprietà fotofisiche dei fluorofori usati sono fondamentali per ottimizzare la luminosità complessiva delle nanoparticelle. In studi precedenti sono state ottenute, tramite la tecnica della microemulsione inversa, nanoparticelle ibride fluorescenti omogenee in forma e dimensione, ibridizzate con cianine trimetiniche, dove la formazione dei materiali deriva dall'equilibrio di partizione del precursore siliceo (TEOS) e delle molecole di fluoroforo tra fase apolare e acquosa. In particolare è stata dimostrata la possibilità di controllare la dispersione della sonda attraverso la matrice silicea in base all'idrofilicità del fluoroforo. Su questa base, l'attività di questa tesi è stata dedicata allo sviluppo di nanoparticelle di silice ibridizzate con molecole di coloranti con proprietà di fotoemissione nella regione NIR, detta ¿finestra dei tessuti¿. Tuttavia la stabilità estremamente bassa delle cianine pentametinche al pH basico in microemulsione ha spinto verso la scelta di diverse molecole di fluoroforo; dunque sono state scelte le squaraine per la loro alta stabilità (fornita dall'acido squarico) e per la somiglianza con le cianine. Sono state utilizzate quattro squaraine con diversa affinità verso l'ambiente di reazione; per ogni molecola sono state sintetizzate delle nanoparticelle ibride e queste sono state caratterizzate in termini di dimensioni e morfologia tramite microscopia elettronica in trasmissione. In seguito è stata determinata la dispersione del colorante nella matrice solida tramite il confronto sistematico delle proprietà fotofisiche delle nanoparticelle ottenute rispetto al corrispondente fluoroforo in soluzione. Inoltre è stato calcolato il cambiamento relativo dell'efficienza in fotoemissione per fluoroforo combinando le analisi in fotoemissione allo stato stazionario e risolta nel tempo. Per tutti i campioni preparati si è verificato un livello significativo di aggregazione dei fluorofori durante la preparazione delle nanoparticelle, con una conseguente diminuzione dell'efficienza in fotoemissione. Tuttavia per parte delle molecole intrappolate è stato misurato un aumento della resa quantica di fluorescenza, indicando un grado di dispersione migliore nella matrice. Questi dati dimostrano chiaramente la possibilità di migliorare le proprietà di fotoemissione delle squaraine con l'inclusione in nanoparticelle di silice; tuttavia saranno necessarie ulteriori indagini per chiarire i parametri molecolari che regolano la loro dispersione durante la formazione delle nanoparticelle.