Nanopartículas de iridio sin ligantes: síntesis acuosa simple y biocompatibilidad in vitro demostrada

Resumen

Nanopartículas inorgánicas de alta densidad emergen como agentes poderosos en medicina basada en radiación, desde imagen por rayos X hasta mejora de dosis en radioterapia. Reportamos una síntesis acuosa escalable que produce nanopartículas de iridio (IrNPs) de 2–3 nm mediante reducción con borohidruro de cloruro de iridio(III). Notablemente, el método produce partículas uniformemente monodispersas, sin ligantes, sin surfactantes ni estabilizadores. Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución y difracción de rayos X confirman el núcleo cristalino de iridio, mientras ensayos in vitro en líneas de hepatocitos y macrófagos demuestran tolerancia hasta 10 µM IrNPs y 10 µM cloruro de iridio(III). Estudios de hemólisis muestran ningún daño significativo a glóbulos rojos a concentraciones hasta 100 µM. Estos hallazgos subrayan la promesa de IrNPs para futuras aplicaciones in vivo.

Antecedentes

Las nanopartículas de metales nobles son centrales en nanomedicina gracias a sus propiedades ópticas, electrónicas y catalíticas únicas. Mientras nanopartículas de oro y plata han sido extensamente estudiadas para sensado, terapia y uso antimicrobiano, los metales del grupo del platino permanecen largamente inexplorados en contextos biomédicos. El iridio, con su densidad excepcional (22,56 g cm⁻³), inercia química y biocompatibilidad conocida, ofrece alternativa convincente al oro para aplicaciones de mejora de radiación. Estudios existentes sobre nanopartículas de alto Z se han centrado en oro, bismuto y hafnio; el iridio no se ha explorado en este sentido a pesar de sus rasgos físicos y químicos favorables.

La alta densidad del iridio sustenta su utilidad en física de radiación —¹⁹²Ir, isótopo común de braquiterapia, demuestra cómo un elemento densamente empaquetado puede emitir gamma potente. Sin embargo, no se ha reportado síntesis sistemática de nanopartículas de iridio sin ligantes adecuadas para uso biológico. Nuestro trabajo llena este vacío proporcionando un protocolo acuoso simple, escalable y una evaluación comprehensiva de biocompatibilidad in vitro.

Métodos

Síntesis de IrNPs

Todas las reacciones se realizaron a temperatura ambiente en agua desionizada 18 MΩ libre de oxígeno. Un stock 20 mM de IrCl₃ (Acros Organics) se sonicó y agitó 20 min para clarificar la solución. Una solución 1,0 M de borano-morfolina (Alfa Aesar) se sonicó igualmente. Para escala 500 mL, 25 mL de IrCl₃ 1,0 mM se mezclaron con 5 mL de borano-morfolina 10 mM bajo agitación vigorosa. La mezcla oscureció de marrón a negro en 30 min, indicando formación de nanopartículas. Tras 60 min adicionales de agitación, el coloide se concentró usando filtros centrífugos 10 kDa PMCO (Amicon Ultra-4) a 4000 × g, lavó con agua y filtró por jeringa 0,22 µm (Millex-MP) antes de almacenamiento.

Caracterización de Nanopartículas

TEM de alta resolución (FEI Tecnai F-20, 200 kV) se usó para imaginar partículas en redes de carbono hueco. Patrones de difracción se analizaron con ImageJ para confirmar espaciado de red 0,22 nm característico de iridio metálico. Difracción de rayos X (Rigaku Ultima IV, Cu Kα, 20–80° 2θ, 0,1° min⁻¹) coincidió con ficha PDF 9008470 para iridio elemental. Difusión dinámica de luz (Malvern Nano ZSP) reportó diámetro hidrodinámico ~5 nm. Espectros UV-Vis (Tecan M200 Pro) confirmaron absorción amplia y sin rasgos de IrNPs versus picos agudos de IrCl₃. Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (PHI Versaprobe II) reveló superficie predominantemente Ir(0) con ~20 % contaminación de óxido. Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (Agilent 7900) cuantificó concentraciones de iridio en rango ppb tras digestión con agua regia.

Análisis de Citotoxicidad

Células HepG2 (carcinoma hepatocelular humano) y J774A.1 (macrófago murino) se sembraron a 2 × 10⁵ células por pozo en placas de 96 pozos (DMEM + 10 % FBS) e incubaron 24 h. IrNPs, IrCl₃, agua o DMSO se añadieron a volumen final 110 µL (10 % v/v). Viabilidad se evaluó tras 24 o 48 h usando Alamar Blue (10 % v/v) y lectura fluorescencia (ex 530 nm/em 590 nm). Todos los experimentos se realizaron por cuadruplicado y repitieron en días independientes. Hemólisis se evaluó incubando eritrocitos en PBS con IrNPs a 37 °C por 1 h y midiendo liberación de hemoglobina.

Resultados

Síntesis y Caracterización de Nanopartículas de Iridio

La reducción de IrCl₃ con exceso molar 10-veces de borano-morfolina en agua produce IrNPs monodispersas de 2–3 nm en 30 min. Imágenes TEM (Fig. 1a) y patrones XRD (Fig. 1c) confirman núcleo de iridio altamente cristalino. Las partículas permanecen coloidalmente estables en agua por meses (Fig. 1d). En medios básicos, las nanopartículas convierten a óxido de iridio, presentando tono azul; condiciones ácidas inducen floculación sin desestabilizar estructura cristalina. XPS indica superficie predominantemente elemental con ~20 % óxido superficial (Fig. 3). Intentos de usar surfactantes tiol durante síntesis inhiben formación de partículas, subrayando la necesidad de ambiente sin ligantes para este enfoque.

Citotoxicidad de Iridio

En células HepG2, IrCl₃ aumentó actividad metabólica a 115 % a 24 h pero cayó a 90 % a 48 h con 500 µM. IrNPs redujeron viabilidad a 78 % a 50 µM tras 48 h. Macrófagos (J774A.1) mostraron impulso metabólico transitorio (122 % a 24 h) con 50 µM IrNPs, retornando a ~98 % tras 48 h. A 500 µM, IrNPs mostraron viabilidad neutra a 24 h pero redujeron viabilidad tras 48 h, sugiriendo efectos dependientes de dosis. Ensayos de hemólisis revelaron ninguna lisis significativa de glóbulos rojos hasta 100 µM IrNPs.

Discusión

Síntesis tradicionales de nanomateriales de iridio —reducción con hidruros, irradiación UV/gamma, o rutas poliol— están adaptadas para integración en soportes catalíticos y no son aptas para aplicaciones biológicas. Nuestro enfoque acuoso, sin ligantes, evade estas limitaciones y produce partículas susceptibles a funcionalización posterior. In vitro, IrNPs exhiben baja toxicidad aguda, con concentraciones tolerables hasta 50 µM en hepatocitos y actividad hemolítica mínima. La estimulación de macrófagos sugiere potencial para modular respuestas inmunes, lo que merece estudios mecánicos adicionales.

Dada la alta densidad del iridio, se espera que estas nanopartículas mejoren atenuación de radiación, análogamente al rendimiento de ¹⁹²Ir en braquiterapia. Trabajos futuros investigarán biodistribución in vivo, clearance renal y eficacia terapéutica combinada con irradiación de rayos X o gamma.

Conclusiones

Hemos demostrado que nanocristales de iridio(0) pueden sintetizarse vía simple reducción acuosa con borohidruro de IrCl₃, produciendo IrNPs de 2–3 nm, altamente cristalinos, sin ligantes, con diámetro hidrodinámico ~5 nm. En exposición aguda, estas partículas son no tóxicas hasta 50 µM en hepatocitos, estimulan transitoriamente metabolismo de macrófagos y no provocan hemólisis a concentraciones fisiológicamente relevantes. Su núcleo sin ligantes ofrece plataforma versátil para modificación superficial hacia aplicaciones biomédicamente relevantes, especialmente como agentes radiográficos o radioterapéuticos de alta densidad.

Abreviaturas

AuNP

Nanopartícula de oro

DLS

Difusión dinámica de luz

ICP-MS

Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente

IrNP

Nanopartícula de iridio

PDF

Archivo de difracción de polvo

UV

Ultravioleta

XPS

Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X

XRD

Difracción de rayos X