Hierarchical gold nanocluster probes for bioimaging

Bárbara Augusta Pereira Casteleiro

Key information

Authors:

Bárbara Augusta Pereira Casteleiro (Bárbara Augusta Pereira Casteleiro)

Supervisors:

José Paulo Sequeira Farinha (José Paulo Sequeira Farinha); Marie-Thérèse Charreyre; Clara Isabel Barbosa Rodrigues Pereira

Published in

September 14, 2022

Abstract

Gold nanoclusters (AuNCs) are an emerging class of gold nanostructures with unique properties, such as high photostability and large Stokes shift. This confers them high potential as alternatives to organic dyes and quantum dots in bioimaging. Nevertheless, their low colloidal stability and luminescence quantum yield have limited their full potential. To overcome such limitations, encapsulation of the AuNCs in several host materials was proposed. In this thesis, we studied the encapsulation of AuNCs in polymers and silica nanoparticles using several methodologies. The thesis is divided in several sections: the first one is a comprehensive bibliographic revision of the encapsulation of AuNCs in different host materials. The second deals with the encapsulation of the AuNCs of 25 Au atoms stabilized by mercapto hexanoic acid (MHA-AuNCs) in methacrylate polymer nanoparticles of 50 nm diameter by photo-miniemulsion polymerization. The third section address the encapsulation of AuNCs by polymerization induced self-assembly (RAFTPISA). The hairy core-shell nanoparticles with a poly(butyl acrylate) (PBA) core and a poly (Nisopropylacrylamide) (PNAM) shell encapsulating in situ MHA-AuNCs and AuNCs stabilized with hexanethiol (MH-AuNCs). The hybrid hairy nanoparticles, with a hydrodynamic diameter of 50 nm, maintain their colloidal and optical properties for at least 1 year. They were imaged in HeLa cells, showing their internalization into the cell cytoplasm. The fourth section is the direct synthesis of AuNCs using thiol terminated PNAM homopolymers and copolymers. By changing the molecular weight of the PNAM-SH, NIR emitting AuNCs with hydrodynamic diameter between 5 and 16 nm were synthesized. The in cellulo tests in HeLa cells showed their incorporation into the cytoplasm. The synthesis of polystyrene (PS) stabilized AuNCs was also explored, which were later encapsulated into PS-co-PEO micelles by solvent exchange. The NIRemitting PS-AuNCs were encapsulated into the micelles by bulk and microfluidics nanoprecipitation, leading to particles with 215 nm and 125 nm, respectively. The fifth section studies the one-pot encapsulation of AuNCs with NIR emission in mesoporous silica nanoparticles of about 50 nm. In a second approach, the AuNCs were conjugated with MnFe2O4 NPs in a core-shell system, with a MnFe2O4 NP in the core and a mesoporous silica shell incorporating the AuNCs. The core-corona nanostructures combine in a single particle the superparamagnetic behaviour (MS = 13.4 emu g-1 at 300 K) of the core with the NIR AuNCs emission from the corona. Finally, a last section summarizes the conclusions and points the challenges and opportunities of the work and points to future developments namely concerning the application of the nanostructures in bioimaging. Os nanoclusters de ouro (AuNCs) são uma classe emergente de nanoestruturas de ouro com propriedades únicas, como alta fotoestabilidade e grande deslocamento de Stokes. Isso lhes confere alto potencial como alternativas aos corantes orgânicos e quantum dots em bioimagem. No entanto, sua baixa estabilidade coloidal e rendimento quântico de luminescência limitaram todo o seu potencial. Para superar tais limitações, foi proposto o encapsulamento das AuNCs em vários materiais hospedeiros. Nesta tese, estudamos o encapsulamento de AuNCs em polímeros e nanopartículas de sílica usando diversas metodologias. A tese está dividida em várias seções: a primeira é uma revisão bibliográfica abrangente do encapsulamento de AuNCs em diferentes materiais hospedeiros. A segunda trata do encapsulamento de AuNCs de 25 átomos de Au estabilizados por ácido mercapto hexanoico (MHA-AuNCs) em nanopartículas de polímero de metacrilato de 50 nm de diâmetro por polimerização por fotominiemulsão. A terceira seção aborda o encapsulamento de AuNCs por Polymerization Induced Self-Assembly (RAFTPISA). As nanopartículas são estruturas core-corona com um core de poli(butilacrilato) (PBA) e uma corona de poli (N-isopropilacrilamida) (PNAM) encapsulando in situ MHA-AuNCs e AuNCs estabilizados com hexanotiol (MH-AuNCs). As nanopartículas híbridas, com diâmetro hidrodinâmico de 50 nm, mantêm suas propriedades coloidais e óticas por pelo menos 1 ano. Elas foram testadas em células HeLa, mostrando sua internalização no citoplasma da célula. A quarta seção é a síntese direta de AuNCs usando homopolímeros e copolímeros PNAM terminados em tiol. Alterando o peso molecular do PNAM-SH, foram sintetizados AuNCs emissores de NIR com diâmetro hidrodinâmico entre 5 e 16 nm. Os testes in cellulo em células HeLa mostraram sua internalização no citoplasma. Também foi explorada a síntese de AuNCs estabilizados com poliestireno (PS), que posteriormente foram encapsulados em micelas PS-co-PEO por troca de solvente. Os PS-AuNCs emissores de NIR foram encapsulados nas micelas por nanoprecipitação em massa e microfluídica, levando a partículas com 215 nm e 125 nm, respetivamente. A quinta seção estuda o encapsulamento one-pot de AuNCs com emissão NIR em nanopartículas de sílica mesoporosa de cerca de 50 nm. Em uma segunda abordagem, os AuNCs foram conjugados com nanopartículas de MnFe2O4 num sistema core-corona, com uma nanopartícula MnFe2O4 no core e uma shell de sílica mesoporosa incorporando os AuNCs. As nanoestruturas core-corona combinam numa única partícula o comportamento superparamagnético (MS = 13,4 emu g-1 a 300 K) do core com a emissão NIR AuNCs da corona. Por fim, uma última secção resume as conclusões e aponta os desafios e oportunidades do trabalho e aponta para desenvolvimentos futuros nomeadamente no que diz respeito à aplicação das nanoestruturas em bioimagem.