At the cutting edge of bioimaging: multifunctional luminescent nanomaterials for biomedicine

The investigation of novel or under-investigated materials for development of luminescent multifunctional probes is of great interest nowadays for exploring the amount of application possibilities in biomedical field. The present Doctoral thesis aims to illustrate some classes of luminescent inorganic nanomaterials, by considering the topics of nanomaterial design and preparation and the fundamental concepts of theranostics, multifunctionality and green chemistry. In Chapter 2 KY3F10 citrate-capped core@shell nanostructures activated with several lanthanide ions, have been presented. Such nanomaterials, prepared as colloidal dispersions by means of environmental-friendly synthetic approach, have been investigated for use as biocompatible and efficient contrast agents for Optical, Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Computerized Tomography (CT) techniques, as well as non-invasive luminescent nanothermometers. Their chemical stability in biological media, the cytotoxicity towards human cell lines and preliminary in vivo experiments have been performed assessing the possibility of application as theranostics tools. In Chapter 3 the development of a multifunctional nanostructured contrast agent has been reported, based on a novel composite nanoLDH-ICG@hydrogel, useful as aspecific tissue markers for Optical and Magnetic Resonance Imaging. This nanocomposite is particularly suitable for application in image-guided surgery (IGS), which is one of the most challenging and promising fields of the clinical research. In vitro and in vivo tests have shown promising results for the development of a tool useful for clinical practice. In Chapter 4, two different nanomaterials have been described, with a focus on the possibility of exploit them as optical nanothermometers, which are nowadays among the most promising tools for measuring temperature at the nanoscale by means of very fast, versatile and reliable technologies, such as through the acquisition of a spectrum. The described systems combine different features, by mixing properties of lanthanide-doped fluoride UCNPs and TiO2 nanocrystals, which can be useful for application as theranostic tools or as advanced multifunctional devices.

L'indagine di materiali nuovi o poco studiati per lo sviluppo di sonde luminescenti multifunzionali è di grande interesse al giorno d'oggi per esplorare le numerose possibilità di applicazione in campo biomedico. La presente tesi di dottorato si propone di illustrare alcune classi di nanomateriali inorganici luminescenti, considerando i temi della progettazione e della preparazione dei nanomateriali e i concetti fondamentali di teranostica, multifunzionalità e chimica verde. Nel Capitolo 2 sono state presentate nanostrutture core@shell con rivestimento in citrato costituite da una matrice di KY3F10 attivata con diversi ioni lantanidi. Questi nanomateriali, preparati come dispersioni colloidali mediante un approccio basato sulla green chemistry, sono stati studiati per essere utilizzati come agenti di contrasto biocompatibili ed efficienti per le tecniche di imaging ottico, risonanza magnetica (MRI) e tomografia computerizzata (CT), nonché come nanotermometri luminescenti non invasivi. La loro stabilità chimica nei mezzi biologici, la citotossicità nei confronti di linee cellulari umane e gli esperimenti preliminari in vivo sono stati eseguiti valutando la possibilità di applicazione come strumenti terapeutici. Nel Capitolo 3 è stato presentato lo sviluppo di un agente di contrasto multifunzionale nanostrutturato, basato su un nuovo composito nanoLDH-ICG@idrogel, utile come marcatore tissutale aspecifico per l'imaging a risonanza ottica e magnetica. Questo nanocomposito è particolarmente adatto all'applicazione nella chirurgia guidata dalle immagini (IGS), uno dei campi più stimolanti e promettenti della ricerca clinica. I test in vitro e in vivo hanno mostrato risultati promettenti per lo sviluppo di uno strumento utile per la pratica clinica. Nel capitolo 4 sono stati descritti due diversi nanomateriali, con particolare attenzione alla possibilità di sfruttarli come nanotermometri ottici, che sono oggi tra gli strumenti più promettenti per la misurazione della temperatura su scala nanometrica attraverso tecnologie molto veloci, versatili e affidabili, come l'acquisizione di uno spettro. I sistemi descritti in questo capitolo combinano diverse caratteristiche, unendo le proprietà delle UCNPs di fluoruro drogato con lantanidi e dei nanocristalli di TiO2, che possono essere utili per l'applicazione come strumenti terapeutici o come dispositivi multifunzionali avanzati.