Síntesis Asistida por Microondas en 5 Minutos de Puntos de Carbono Pasivados con Polidopamina: Rendimiento Cuántico 5 % y Eficiencia Fototérmica 35 % para Terapia Contra Cáncer

Resumen

Los puntos de carbono (CDs) son nanomateriales fluorescentes valorados por su fotoluminiscencia ajustable, alta conversión fototérmica y excelente biocompatibilidad. Mejorar su rendimiento cuántico (QY) típicamente requiere pasivación superficial o dopaje con heteroátomos, particularmente nitrógeno. En este estudio, presentamos una síntesis rápida, one-pot asistida por microondas que integra pasivación con polidopamina (PDA) en un paso de pirólisis de 5 minutos, simplificando marcadamente el protocolo frente a métodos hidrotérmicos convencionales. Los CDs funcionalizados con PDA (CD-PDA) resultantes se caracterizaron por DLS, FT-IR, UV-Vis y espectroscopía de fluorescencia. El dopaje N introducido por PDA aumentó el QY de <5 % a 5 % (casi triplicando) y mejoró el rendimiento ~1,5 veces debido a nucleación mejorada vía grupos fenólicos. CD-PDA también mostró 35 % eficiencia conversión fototérmica, superando muchos agentes fototérmicos basados en oro. Importante, el recubrimiento PDA retiene grupos funcionales que permiten conjugación adicional vía adición Michael o química base Schiff, abriendo vías para liberación dirigida de fármacos o aplicaciones teranósticas.

Introducción

Los puntos de carbono son una clase única de nanoestructuras de carbono cero-dimensionales que combinan hibridación sp² y sp³ con abundantes electrones π, fomentando sitios de defecto e incorporación de heteroátomos que impulsan sus procesos conversión luz-calor o luz-fotón. Desde su primer aislamiento de purificación de nanotubos de carbono de pared simple descargados por arco en 2004, los CDs se han aprovechado en bioimagen, terapia fototérmica (PTT), terapia fotodinámica (PDT) y biosensores, debido a su fluorescencia ajustable, alta conversión fototérmica y biocompatibilidad inherente. Existen múltiples rutas sintéticas —ablación láser, oxidación ácida, tratamiento hidrotérmico, pirólisis microondas, oxidación electroquímica, irradiación ultrasónica y métodos plasma— sin embargo, lograr alto QY y absorción NIR robusta sigue siendo desafiante.

Incorporar heteroátomos nitrógeno es estrategia probada para impulsar fluorescencia CDs. Por ejemplo, CDs funcionalizados con polietilenoimina (PEI) preparados por pirólisis microondas 700 W de glicerol y PEI ramificado alcanzaron QY 15,3 % y se aplicaron en imagen celular y entrega génica. CDs co-dopados N y P derivados de ATP vía tratamiento hidrotérmico lograron 9,8 % QY. Compuestos fenólicos como ácido ferúlico también mostraron mejorar crecimiento CDs actuando como semillas catalíticas.

La polidopamina (PDA), polímero tipo melanina formado por auto-polimerización dopamina, es rica en grupos catecol, amina e hidroxilo fenólico. Estas funcionalidades hacen PDA agente pasivante y catalítico atractivo para CDs. Basándonos en esta premisa, desarrollamos un protocolo one-pot, 5 minutos pirólisis asistida microondas para sintetizar CDs pasivados PDA, evaluando sus propiedades fisicoquímicas, fotoluminiscencia, rendimiento fototérmico y citotoxicidad.

Resultados y Discusión

Síntesis y Caracterización CD-PDA

CD-PDA se fabricaron combinando 6 mL PDA pre-polimero (2 h pH 8,5) con 20 mL glicerol y sometiendo la mezcla a 5 min oxidación microondas 500 W. Para comparación, CDs control se produjeron solo glicerol bajo condiciones idénticas. La síntesis mediada PDA rindió ~1,5 veces más masa producto, atribuible a grupos fenólicos que mejoran nucleación.

Dispersión dinámica luz reveló diámetro hidrodinámico 51,5 ± 19,5 nm para CD-PDA, con potencial zeta -27,5 ± 0,4 mV, indicando recubrimiento PDA cargado negativamente. CDs control exhibieron 5,5 ± 2,5 nm. Imágenes TEM confirmaron partículas esféricas monodispersas con diámetros ~25 nm para CD-PDA y ~5 nm para CDs, reflejando aumento 20 nm tras pasivación PDA.

Espectros FT-IR mostraron estiramientos característicos O-H catecol (~3400 cm⁻¹) y bandas C=C aromáticas (~1600 cm⁻¹), confirmando integración PDA. Nuevos picos 1642, 1588 y 1640 cm⁻¹ correspondieron a vibraciones C=O, N-H y C-N, evidenciando pasivación superficial exitosa. Espectros UV-Vis mostraron absorción amplia 200-900 nm, especialmente región NIR, sello capacidad fototérmica PDA. CD-PDA exhibió picos 274 y 370 nm, mientras CDs picos 260 y 330 nm; el desplazamiento batocrómico refleja introducción amidógeno desde PDA.

Fotoluminiscencia CD-PDA

El pico emisión CD-PDA se desplazó 450 a 500 nm al variar longitud onda excitación 350 a 420 nm, demostrando fluorescencia ajustable. Microscopía fluorescente e imagen macroscópica UV (365 nm) confirmaron emisión más fuerte relativa a CDs. El QY, medido contra sulfato quinina (54 % QY), fue 5 %, casi triple CDs control. La intensidad fluorescencia permaneció estable >2100 s irradiación 365 nm, indicando fotoluminiscencia robusta.

Estudios optimización revelaron que pre-polimeroización dopamina 2 h rindió máxima fluorescencia, mientras variar concentraciones PDA (3-9 mg mL⁻¹) produjo respuesta campana. Condiciones ácidas (pH 5) mejoraron aún más fluorescencia, sugiriendo rendimiento favorable en microambientes tumorales.

Rendimiento Fototérmico y Citotoxicidad CD-PDA

Eficacia Fototérmica

Bajo irradiación 808 nm, 2 W cm⁻² por 10 min, CD-PDA (200 µg mL⁻¹) elevó temperatura 27 °C, comparable a PDA solo (30 °C) y significativamente mayor que CDs (7,5 °C). Curvas calentamiento dependientes concentración confirmaron correlación directa entre carga CD-PDA y aumento temperatura, con 35 % eficiencia conversión fototérmica —superando nanobarras oro (22 %).

Viabilidad Celular In Vitro

Ensayos MTT en células HeLa demostraron viabilidad dependiente dosis. CD-PDA mantuvo >80 % viabilidad hasta 100 µg mL⁻¹, superando CDs e igualando perfil PDA. Tras irradiación 808 nm (5 min), CD-PDA redujo viabilidad celular 30 % a 200 µg mL⁻¹, confirmando potente efecto fototérmico letal manteniendo baja toxicidad oscura.

Conclusiones

Hemos establecido un protocolo simplificado, 5 minutos pirólisis asistida microondas para sintetizar CDs pasivados PDA. Los resultantes CD-PDA exhiben 5 % QY, 35 % eficiencia conversión fototérmica y rendimiento mejorado por nucleación inducida PDA. Estudios in vitro revelan excelente biocompatibilidad y significativo efecto terapéutico fototérmico, con capa PDA ofreciendo vías para funcionalización adicional vía adición Michael o química base Schiff.

Métodos/Experimental

Materiales

Todos reactivos grado analítico. Clorhidrato dopamina (Sigma-Aldrich), sulfato quinina (Fluka), glicerol (>99 %), buffer Tris (10 mM, pH 8,5), DMSO (>99,8 %), membranas diálisis (MWCO 1000 Da), MTT, tripsina, antibióticos (Beyotime) usados sin purificación adicional. Células HeLa obtenidas ATCC. DMEM y FBS de HyClone e Industries Biológicas, respectivamente.

Instrumentación y Caracterización

FT-IR (Nicolet 380), UV-Vis-NIR (Perkin-Elmer Lambda 750), fluorescencia (Tecan Infinite 200PRO), DLS (Malvern Nano-ZS), TEM (FEI Tecnai G), y horno microondas doméstico 500 W (Galanz) empleados para análisis.

Preparación CD-PDA y CDs

Dopamina (50 mg) disuelta en 10 mL Tris (pH 8,5) y agitada temperatura ambiente 2 h formar PDA. Síntesis CD-PDA involucró mezclar 6 mL este PDA con 20 mL glicerol, seguido 5 min oxidación microondas 500 W, luego diálisis (48 h, MWCO 1000 Da) y liofilización. CDs preparados similarmente pero sin PDA.

Determinación Rendimiento Cuántico Fluorescencia

QY medido usando sulfato quinina (0,1 M H₂SO₄, QY = 54 %) como estándar. Muestras diluidas a densidad óptica <0,02 a 350 nm, y fluorescencia integrada (380-700 nm) comparada contra estándar usando fórmula F = Fₛₜ(Grad_X/Grad_ST)(R_X²/R_ST²).

Mediciones Fototérmicas

Muestras (200 µg mL⁻¹) colocadas en cubetas cuarzo e irradiadas con láser 808 nm, 2 W cm⁻². Temperatura registrada cada minuto 10 min; curvas enfriamiento obtenidas post-irradiación. Eficiencia fototérmica calculada siguiendo protocolos establecidos.

Cultivo Celular

Células HeLa cultivadas DMEM (alta glucosa) suplementado 10 % FBS y antibióticos 37 °C, 5 % CO₂.

Ensayos MTT

Células (2 × 10⁴ células pocillo⁻¹) incubadas con concentraciones variables CD-PDA (10-100 µg mL⁻¹) 24 h, seguido MTT (5 mg mL⁻¹) 4 h. Absorbancia 490 nm medida, viabilidad expresada porcentaje relativo controles sin tratar.