Elaboration de nanoparticules à luminescence persistante dans le rouge-proche infrarouge pour l'imagerie in vivo : synthèse et caractérisations optiques

Development of persistent luminescent nanoparticles in the red-near infrared range

• Auteur / Autrice : Céline Rosticher
• Direction : Corinne Chanéac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphates de calcium

Imagerie par résonance magnétique

Nanoparticules

Résumé

Ce travail de thèse concerne l’étude de nanoparticules à luminescence persistante dans le rouge-proche infrarouge pour la réalisation de sondes utilisables en imagerie optique in vivo. La luminescence persistante est la propriété que possèdent certains matériaux de continuer à émettre de la lumière après la fin de l’excitation durant plusieurs dizaines de minutes. Ces particules présentent l’avantage de pouvoir être excitées préalablement à l’injection dans le milieu biologique, et éviter ainsi les phénomènes d’autofluorescence et d’absorption rencontrés en imagerie optique in vivo. Le premier objectif était d’optimiser la luminescence persistante de silicates de type CaMgSi2O6 dopés Eu2+, Mn2+, Ln3+ (Ln = Dy, Pr) et la taille des nanoparticules. Nous avons développé une synthèse inspirée du procédé Stöber qui a permis d’obtenir des nanoparticules sphériques monodisperses entourées d’une couche de silice amorphe. Afin de suivre l’influence de la composition chimique sur la luminescence persistante, nous avons fait varier le ratio molaire Ca/Mg/Si, la quantité initiale de TEOS, le ratio et la nature des dopants. Une composition optimale, CaMgSi2O6 : Eu2+ (1%), Mn2+ (5%), Pr3+ (2%), avec une luminescence persistante dans le rouge-proche infragouge beaucoup plus intense et plus longue que les matériaux réalisés jusqu’alors constitue le résultat majeur de cette première partie. Le second objectif était de développer de nouveaux matériaux avec des propriétés bimodales, alliant luminescence persistante et propriétés magnétiques. Pour ce faire, nous avons étudié les oxysulfures de gadolinium dopés Eu3+, Ti4+ et Mg2+. Une synthèse par voie hydrothermale a permis d’obtenir des nanoparticules hexagonales/sphériques de 50 à 80 nm de diamètre et peu agrégées. En luminescence persistante, seules les bandes d’émission caractéristiques de l’ion Eu3+ (5Dj  7Fj) sont observées. En Imagerie par Résonance Magnétique, ces composés ont un effet T1 prononcé et un effet T2 observable. Compte tenu des résultats en luminescence persistante et en IRM, Gd2O2S : Eu3+ (5%), Ti4+ (1%), Mg2+ (8%) est un excellent candidat comme agent de contraste bimodal. Le dernier objectif de la thèse était de développer des matériaux à luminescence persistante dans le rouge-proche infrarouge qui soient biocompatibles et biodégradables. Nous avons réalisé des nanoparticules de phosphates de calcium, phase mixte HAp / -TCP, par voie hydrothermale. Pour un dopage Eu2+ (0,5%), Mn2+ (2,5%), Pr3+ (1%), ce matériau présente de bonnes propriétés de luminescence persistante qui ont été testées in vivo en imagerie du petit animal. Nous avons montré qu’il est possible de suivre la biodistribution des nanoparticules en temps réel pendant plus de dix minutes sans recourir à une quelconque excitation externe

This work concerns the study of red-near infrared persistent luminescence nanoparticles for the production of probes for in vivo optical imaging. Persistent luminescence is the phenomenon encountered in materials which make them glow in the dark during some time after the end of the excitation. These particles have a major advantage: they can be excited before the injection in the biological medium, so it avoids autofluorescence and absorption phenomena that regularly happen with in vivo optical imaging. The first objective was to optimize the persistent luminescence properties of silicates as CaMgSi2O6 doped Eu2+, Mn2+, Ln3+ (Ln = Dy, Pr) and the size of the nanoparticles. We developed a synthesis based on the Stöber process and spherical nanoparticles coated by amorphous silica were obtained. To follow the influence of chemical composition on persistent luminescence properties, we modified the molar ratio Ca/Mg/Si, TEOS initial concentration, ratio and nature of dopants. One optimal composition, CaMgSi2O6 : Eu2+ (1%), Mn2+ (5%), Pr3+ (2%), with a red-near infrared persistent luminescence more intense and longer than ever before is the main result for this part of study. The second objective was to develop new materials with bimodal properties: persistent luminescence and magnetism. Therefore, we studied gadolinium oxysulfides doped Eu3+, Ti4+, Mg2+. We obtained hexagonal and spherical nanoparticles with a diameter between 50-80 nm. Only the characteristic emission bands of Eu3+ (5Dj  7Fj) were observed on the persistent luminescence spectra. With regard to Magnetic Resonance Imaging experiments, these materials exhibit a strong T1 effect and an observable T2 effect. Looking at the persistent luminescence results and the MRI results, Gd2O2S : Eu3+ (5%), Ti4+ (1%), Mg2+ (8%) is an excellent choice for a bimodal contrast agent. The last goal of this work was to develop red-near infrared persistent luminescence materials which could be biocompatible and biodegradable. We produced calcium phosphate nanoparticles, of mixed phase HAp / -TCP, by hydrothermal synthesis. Doped with Eu2+ (0,5%), Mn2+ (2,5%), Pr3+ (1%), this material exhibit good persistent luminescence properties that were tested in vivo. Using these probes in small animal imaging, we demonstrate that it’s possible to follow their in vivo distribution in real time for more than ten minutes without any external illumination