Luminescent lanthanide-doped nano- and microparticles and hybrid materials towards biomedical applications

Abstract

Luminescent lanthanide materials are of great interest not only for biomedical applications due to their tuneable emission wavelengths that extend from the ultra-violet region into the near-infrared region. These materials are known to be non-toxic and resistant to photobleaching unlike traditional organic dyes. In this Thesis, the focus was laid on the synthesis of nanoscale and microscale fluoride containing luminescent lanthanide materials, such as (LaF₃:Ce³⁺Tb³⁺, TiO₂@SiO₂@LaF₃:Ce³⁺Tb³⁺, and KSmF₄:Ln³⁺ (Ln = Ce, Tb, Eu), which promise unique optical properties, as fluoride containing lanthanide materials are recognized for their strong luminescence and good optical stability due to their low phonon energies. To harness these properties for potential bioimaging applications, this Thesis thus focused on developing and optimizing synthetic routes for producing monodisperse lanthanide doped particles that bridge the length scales from the nano- (< 10 nm) to the microscale (> 1 µm). Furthermore, to enhance their scope by exploiting their surface features, these particles were incorporated into hydrogels and were modified with polymer brushes. The results confirm the successful synthesis of monodisperse particles with sizes ranging from < 10 nm to 15 µm with intense red and green luminescence due to Eu3+ and Tb3+ ions. Among the particles studied, the (LaF₃:Ce³⁺Tb³⁺) nanoparticles were investigated in cell toxicity tests, while the MgF2 microbeads were tailor made for application in digital holography microscopy. The toxicity tests indicated that the NPs are non-toxic at concentrations below 0.0023 mg/mL in cell medium. These NPs were also incorporated into a biocompatible sodium alginate hydrogel matrix and the influence on the mechanical properties of the hydrogels was investigated. Rheological measurements revealed that nanoparticle inclusion significantly enhances the hydrogels’ structural stability, supporting their potential use in drug delivery and bioimaging. The tomography phase microscopy results of spherical MgF2 microparticles hinted at a very similar refractive index compared to human cells (1.360 ± 0.004). These particles were shown to provide the structural parameters required for precise calibration in digital holography, which enhances the accuracy and reliability of label-free live cell imaging. In addition, antibacterial tests with E. coli showed enhanced antibacterial activity compared to commercially purchased MgF2. These results suggest that lanthanide-based particles can be further exploited in future biomedical applications.

Lumineszierende Lanthanid-Materialien sind aufgrund ihrer einstellbaren Emissions¬wellenlängen, die von ultraviolettem Licht bis hin in den nahen Infrarotbereich reichen, auch für biomedizinische Anwendungen besonders interessant. Diese Materialien zeichnen sich durch ihre geringe Toxizität und hohe Photostabilität aus, was sie von traditionellen organischen Farbstoffen unterscheidet. In der vorliegenden Arbeit wurde der Fokus auf die Synthese von lumineszierenden Fluorid-haltigen Lanthanid-Verbindungen mit definierten nano- und mikroskaligen Dimensionen gelegt, wie beispielsweise LaF₃:Ce³⁺Tb³⁺, TiO₂@SiO₂@LaF₃:Ce³⁺Tb³⁺ und KSmF₄:Ln³⁺ (Ln = Ce, Tb, Eu). Diese Verbindungen sind bekannt für ihre starke Lumineszenz und hervorragende optische Stabilität, bedingt durch ihre niedrigen Phononenenergien. Um die vielversprechenden Eigenschaften dieser Materialien für Anwendungen im Bereich der Bioimaging-Technologien zukünftig nutzen zu können, wurde in dieser Arbeit die Entwicklung und Optimierung von Synthesemethoden zur Herstellung Lanthanid-dotierter Partikel mit definierter monomodaler Größenverteilung untersucht, und zwar mit Partikelgrößen von < 10 nm bis > 1 µm. Die so hergestellten Partikel wurden auch in Hydrogele integriert und mit Polymerbürsten modifiziert, um ihre Anwendungsbreite zu erhöhen. Die Ergebnisse zeigen, dass es gelungen ist, Partikel mit Größen von < 10 nm bis zu 15 µm mit engen monomodalen Größenverteilungen zu synthetisieren, die intensive rote und grüne Lumineszenz durch Eu³⁺- und Tb³⁺-Ionen aufweisen. Die (LaF₃:Ce³⁺Tb³⁺)-Nanopartikel wurden auf ihre Zelltoxizität hin untersucht, während die MgF₂-Mikroperlen speziell für Anwendungen in der digitalen Holographie-Mikroskopie entwickelt wurden. Die Toxizitätstests zeigten, dass die Nanopartikel bei Konzentrationen unter 0,0023 mg/mL im Zellmedium nicht toxisch sind. Weiterhin wurden diese Nanopartikel in eine biokompatible Natriumalginat-Hydrogelmatrix eingebettet, und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele wurde untersucht. Rheologische Messungen zeigten, dass die Einbindung der Nanopartikel die strukturelle Stabilität der Hydrogele signifikant erhöht, was ihre potenzielle Verwendung in der Medikamentenfreisetzung und im Bioimaging unterstützt. Die Untersuchung der sphärischen MgF₂-Mikropartikel mittels Tomographie-Phasenmikroskopie ergab einen Brechungsindex, der dem von menschlichen Zellen sehr ähnlich ist (1,360 ± 0,004). Diese Partikel eignen sich daher hervorragend für eine präzise Kalibrierung in der digitalen Holographie, wodurch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der markierungsfreien Echtzeit-Zell-Bildgebung verbessert wird. Zudem zeigten antibakterielle Tests mit E. coli, dass die antibakterielle Aktivität im Vergleich zu kommerziell erhältlichem MgF₂ verbessert ist. Insgesamt lassen diese Ergebnisse darauf schließen, dass Lanthanid-basierte Partikel in zukünftigen biomedizinischen Anwendungen vielversprechend eingesetzt werden können.