Síntese Rápida em Micro-ondas (5 min) de Carbon Dots Passivados com Polidopamina com 5% de Rendimento Quântico e 35% de Eficiência Fototérmica para Terapia do Câncer

Resumo

Os carbon dots (CDs) são nanomateriais fluorescentes valorizados por sua fotoluminescência ajustável, alta conversão fototérmica e excelente biocompatibilidade. Aumentar seu rendimento quântico (QY) geralmente requer passivação de superfície ou dopagem com heteroátomos, especialmente nitrogênio. Neste estudo, apresentamos uma síntese rápida, one-pot e assistida por micro-ondas que integra a passivação com polidopamina (PDA) em uma etapa de pirólise de 5 minutos, simplificando marcadamente o protocolo em comparação aos métodos hidrotérmicos convencionais. Os CDs funcionalizados com PDA (CD-PDA) resultantes foram caracterizados por DLS, FT-IR, UV-Vis e espectroscopia de fluorescência. A dopagem com N introduzida pela PDA aumentou o QY de <5% para 5% (quase triplicando) e melhorou o rendimento em ~1,5 vezes devido à nucleação aprimorada via grupos fenólicos. O CD-PDA também exibiu 35% de eficiência de conversão fototérmica, superando muitos agentes fototérmicos baseados em ouro. Importante, o revestimento de PDA mantém grupos funcionais que permitem conjugação adicional via adição de Michael ou química de base de Schiff, abrindo caminhos para entrega de fármacos direcionada ou aplicações teranósticas.

Introdução

Os carbon dots são uma classe única de nanoestruturas de carbono zero-dimensionais que combinam hibridização sp² e sp³ com abundantes elétrons π, favorecendo sítios de defeito e incorporação de heteroátomos que impulsionam seus processos de conversão luz-calor ou luz-fóton. Desde seu primeiro isolamento da purificação de nanotubos de carbono de parede única por descarga de arco em 2004, os CDs têm sido utilizados em bioimagem, terapia fototérmica (PTT), terapia fotodinâmica (PDT) e biossensores, devido à sua fluorescência ajustável, alta conversão fototérmica e biocompatibilidade inerente. Existem diversas rotas sintéticas — ablação a laser, oxidação ácida, tratamento hidrotérmico, pirólise por micro-ondas, oxidação eletroquímica, irradiação ultrassônica e métodos de plasma — mas alcançar alto QY e absorção robusta no NIR permanece desafiador.

A incorporação de heteroátomos de nitrogênio é uma estratégia comprovada para aumentar a fluorescência dos CDs. Por exemplo, CDs funcionalizados com polietilenimina (PEI) preparados por pirólise em micro-ondas a 700 W de glicerol e PEI ramificado atingiram QY de 15,3% e foram aplicados em imagem celular e entrega gênica. CDs co-dopados com N e P derivados de ATP via tratamento hidrotérmico alcançaram QY de 9,8%. Compostos fenólicos como o ácido ferúlico também demonstraram melhorar o crescimento de CDs atuando como sementes catalíticas.

A polidopamina (PDA), um polímero semelhante à melanina formado pela auto-polimerização da dopamina, é rica em grupos catecol, amina e hidroxila fenólica. Essas funcionalidades tornam a PDA um agente passivante e catalítico atraente para CDs. Com base nessa premissa, desenvolvemos um protocolo one-pot de pirólise assistida por micro-ondas de 5 minutos para sintetizar CDs passivados com PDA, avaliando suas propriedades físico-químicas, fotoluminescência, desempenho fototérmico e citotoxicidade.

Resultados e Discussão

Síntese e Caracterização do CD-PDA

Os CD-PDA foram fabricados combinando 6 mL de PDA pré-polimerizado (2 h a pH 8,5) com 20 mL de glicerol e submetendo a mistura a 5 min de oxidação em micro-ondas a 500 W. Para comparação, CDs controle foram produzidos apenas com glicerol sob condições idênticas. A síntese mediada por PDA rendeu ~1,5 vezes mais massa de produto, atribuível aos grupos fenólicos que aumentam a nucleação.

A dispersão dinâmica de luz revelou diâmetro hidrodinâmico de 51,5 ± 19,5 nm para CD-PDA, com potencial zeta de –27,5 ± 0,4 mV, indicando revestimento de PDA carregado negativamente. CDs controle exibiram 5,5 ± 2,5 nm. Imagens de MET confirmaram partículas esféricas monodispersas com diâmetros de ~25 nm para CD-PDA e ~5 nm para CDs, refletindo o aumento de 20 nm no tamanho após passivação com PDA.

Os espectros FT-IR exibiram alongamentos característicos de O-H de catecol (~3400 cm⁻¹) e bandas aromáticas C=C (~1600 cm⁻¹), confirmando a integração da PDA. Novos picos em 1642, 1588 e 1640 cm⁻¹ corresponderam a vibrações C=O, N-H e C-N, evidenciando passivação de superfície bem-sucedida. Os espectros UV-Vis mostraram absorção ampla de 200 a 900 nm, especialmente na região NIR, marca da capacidade fototérmica da PDA. CD-PDA exibiu picos em 274 e 370 nm, enquanto CDs apresentaram picos em 260 e 330 nm; o deslocamento batocrômico reflete a introdução de amidogênio da PDA.

Fotoluminescência do CD-PDA

O pico de emissão do CD-PDA deslocou-se de 450 para 500 nm à medida que o comprimento de onda de excitação variou de 350 a 420 nm, demonstrando fluorescência ajustável. Microscopia de fluorescência e imagem UV macroscópica (365 nm) confirmaram emissão mais forte relativa aos CDs. O QY, medido contra sulfato de quinina (QY 54%), foi de 5%, quase o triplo dos CDs controle. A intensidade de fluorescência permaneceu estável por 2100 s de irradiação a 365 nm, indicando fotoluminescência robusta.

Estudos de otimização revelaram que 2 h de pré-polimerização de dopamina renderam fluorescência máxima, enquanto a variação de concentrações de PDA (3–9 mg mL⁻¹) produziu resposta em forma de sino. Condições ácidas (pH 5) aumentaram ainda mais a fluorescência, sugerindo desempenho favorável em microambientes tumorais.

Desempenho Fototérmico e Citotoxicidade do CD-PDA

Eficácia Fototérmica

Sob irradiação a 808 nm, 2 W cm⁻² por 10 min, CD-PDA (200 µg mL⁻¹) elevou a temperatura em 27 °C, comparável à PDA sozinha (30 °C) e significativamente maior que CDs (7,5 °C). Curvas de aquecimento dependentes da concentração confirmaram correlação direta entre carga de CD-PDA e elevação de temperatura, com 35% de eficiência de conversão fototérmica — superando nanobastões de ouro (22%).

Viabilidade Celular In Vitro

Ensaios MTT em células HeLa demonstraram viabilidade dependente da dose. CD-PDA manteve >80% de viabilidade até 100 µg mL⁻¹, superando CDs e igualando o perfil da PDA. Sob irradiação a 808 nm (5 min), CD-PDA reduziu a viabilidade celular a 30% a 200 µg mL⁻¹, confirmando potente efeito fototérmico letal enquanto mantém baixa toxicidade no escuro.

Conclusões

Estabelecemos um protocolo simplificado de 5 minutos assistido por micro-ondas para sintetizar CDs passivados com PDA. Os CD-PDA resultantes exibem QY de 5%, eficiência de conversão fototérmica de 35% e rendimento aumentado devido à nucleação induzida por PDA. Estudos in vitro revelam excelente biocompatibilidade e efeito terapêutico fototérmico significativo, com a camada de PDA oferecendo vias para funcionalização adicional via adição de Michael ou química de base de Schiff.

Métodos/Experimental

Materiais

Todos os reagentes eram grau analítico. Cloridrato de dopamina (Sigma-Aldrich), sulfato de quinina (Fluka), glicerol (>99%), tampão Tris (10 mM, pH 8,5), DMSO (>99,8%), membranas de diálise (MWCO 1000 Da), MTT, tripsina e antibióticos (Beyotime) foram usados sem purificação adicional. Células HeLa foram obtidas da ATCC. DMEM e FBS foram provenientes da HyClone e Biological Industries, respectivamente.

Instrumentação e Caracterização

Foram empregados FT-IR (Nicolet 380), UV-Vis-NIR (Perkin-Elmer Lambda 750), fluorescência (Tecan Infinite 200PRO), DLS (Malvern Nano-ZS), MET (FEI Tecnai G) e forno de micro-ondas doméstico de 500 W (Galanz) para análise.

Preparação do CD-PDA e CDs

Dopamina (50 mg) foi dissolvida em 10 mL de Tris (pH 8,5) e agitada em temperatura ambiente por 2 h para formar PDA. A síntese do CD-PDA envolveu misturar 6 mL deste PDA com 20 mL de glicerol, seguido por 5 min de oxidação em micro-ondas a 500 W, então diálise (48 h, MWCO 1000 Da) e liofilização. CDs foram preparados similarmente, mas sem PDA.

Determinação do Rendimento Quântico de Fluorescência

O QY foi medido usando sulfato de quinina (0,1 M H₂SO₄, QY = 54%) como padrão. Amostras foram diluídas para densidade óptica <0,02 a 350 nm, e a fluorescência integrada (380–700 nm) foi comparada ao padrão usando a fórmula F = Fₛₜ(Grad_X/Grad_ST)(R_X²/R_ST²).

Medidas Fototérmicas

Amostras (200 µg mL⁻¹) foram colocadas em células de quartzo e irradiadas com laser de 808 nm, 2 W cm⁻². A temperatura foi registrada a cada minuto por 10 min; curvas de resfriamento foram obtidas pós-irradiação. A eficiência fototérmica foi calculada seguindo protocolos estabelecidos.

Cultura Celular

Células HeLa foram cultivadas em DMEM (alta glicose) suplementado com 10% FBS e antibióticos a 37 °C, 5% CO₂.

Ensaio MTT

Células (2 × 10⁴ células poço⁻¹) foram incubadas com concentrações variadas de CD-PDA (10–100 µg mL⁻¹) por 24 h, seguido por MTT (5 mg mL⁻¹) por 4 h. A absorbância a 490 nm foi medida, e a viabilidade expressa como porcentagem relativa a controles não tratados.