Insight into ZnO luminescence to engineer nanoparticles for X-Ray based cancer treatment

Le nanoparticelle possiedono proprietà uniche che permettono il loro utilizzo in diversi settori, come la catalisi, l’opto-elettronica e la medicina. A livello nanometrico, il rapporto superficie-volume è alto, portando alla formazione di difetti che influenzano le proprietà del sistema, ad esempio le risposte catalitiche e ottiche. Inoltre, le elevate aree e reattività superficiali delle nanoparticelle consentono la loro funzionalizzazione con diversi leganti, incrementando la loro versatilità, soprattutto nell’ambito medico. L'accuratezza e l’efficacia di diagnosi e terapie può migliorare implementando le strategie tradizionali con nano-agenti. Tra i campi di ricerca in nanomedicina, nanoparticelle con alto numero atomico sono promettenti per innovare la radioterapia e per sviluppare nuove procedure oncologiche, come la terapia fotodinamica indotta dai raggi X, che sfrutta nanoscintillatori combinati a fotosensibilizzatori. In questo ambito, ZnO è di grande interesse. ZnO è un semiconduttore che mostra emissioni nello spettro del visibile, reattività superficiale e biocompatibilità. Inoltre, esposto ai raggi X, ZnO può generare specie citotossiche sia direttamente, grazie alla sua attività catalitica, sia indirettamente, attivando i vicini fotosensibilizzatori, grazie alla sua abilità di convertire i fotoni X in visibili. Questa tesi concerne lo studio di NPs di ZnO per l’innovazione di terapie oncologiche attivate dai raggi X. In dettaglio, un’analisi fondamentale delle proprietà ottiche e catalitiche di diversi campioni di ZnO è condotta e usata come base per progettare nanosistemi multicomponente a base di ZnO. In particolare, le proprietà ottiche di campioni di ZnO con diverse dimensioni (nanometriche, micrometriche e massive) e condizioni di crescita sono studiate con tecniche di fotoluminescenza e radioluminescenza con l’obiettivo di approfondire la comprensione del ruolo della morfologia sulla difettualità. L’analisi numerica di tutti gli spettri identifica nella luminescenza di ZnO un massimo di cinque bande di emissione (una attribuita agli eccitoni e quattro ai difetti), le cui forme spettrali e tempi di vita variano con la dimensione e la procedura di sintesi. Inoltre, lo studio dell’abilità di diversi campioni nanometrici di ZnO di produrre specie citotossiche rivela che la sua attività radio-catalitica dipende dal tipo e dalla concentrazione dei difetti di punto. Quindi, il controllo dei parametri di sintesi e della morfologia (dimensione, forma, interfacce) potrebbe permette l’ingegnerizzazione dei difetti e quindi delle proprietà ottiche e catalitiche. Per realizzare un nano-agente per la terapia fotodinamica indotta dai raggi X, nanoparticelle di ZnO, supportate su substrati nanometrici di silice con diversa porosità, sono funzionalizzate con varie concentrazioni di porfirine. Lo studio delle loro proprietà ottiche rivela che, sotto eccitazione ottica, la luminescenza della porfirina è attivata solo da un meccanismo di riassorbimento con efficienza limitata. Invece, sotto radiazione ionizzante, l’emissione della porfirina è ben sensibilizzata, specialmente a basse concentrazioni e alte energie del fascio di raggi X, grazie al locale aumento del deposito di energia favorito dalle nanoparticelle di ZnO, come confermato dalle simulazioni. Questi risultati evidenziano il ruolo sinergico dei raggi X e della funzionalizzazione, aprendo a ulteriori studi sull’impatto della progettazione del nano-agente sulle sue prestazioni. Questo progetto è stato condotto nel Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’università di Milano-Bicocca e in collaborazione con il NanoMat@Lab per la preparazione dei campioni e con la Dottoressa Anne-Laure Bulin dell’università di Grenoble-Alpes per l’analisi computazionale.

Nanoparticles disclose unique properties that enable their applications in different fields, such as energy, catalysis, opto-electronics, and medicine. At the nanosize, the surface-to-volume ratio is increased, leading to the formation of defects that influence the resultant features, e.g. the catalytic and optical behaviours of the systems. Moreover, the high surface area and reactivity of nanoparticles allow their functionalization with several ligands, enhancing their versatility, especially in the biomedical field. Indeed, the accuracy and efficiency of several diagnoses and treatments may improve by implementing traditional strategies with targeted nano-agents. Among the nanomedicine researches, heavy nanoparticles are promising for the innovation of radiotherapy and for the development of novel oncological procedure, such as X-Ray induced photodynamic therapy, that exploits the combination of nanoscintillators and photosensitizers. In this context, ZnO is of particular interest. Indeed, ZnO is a wide band gap semiconductor that displays emissions in the visible region of the spectrum, surface reactivity, and biocompatibility. Moreover, upon X-Ray exposure, ZnO can generate cytotoxic species both directly, due to its catalytic activity, and indirectly, by activating the close photosensitizers, due to its ability to down-convert X-Ray photons into visible ones. This thesis focuses on the study of ZnO NPs for the innovation of X-Ray based cancer therapies. In detail, a fundamental investigation of the optical and catalytic properties of several ZnO samples is performed and used as background to design and develop ZnO based multicomponent nanosystems. Namely, the optical features of ZnO samples with different sizes (nanometric, micrometric, and bulk) and growth conditions are investigated by photoluminescence and radioluminescence techniques aiming at deepening the comprehension of the impact of morphology on the material defectiveness. A Gaussian reconstruction of all the spectra identifies in ZnO luminescence as many as five emission bands (one related to excitons and four to defects), whose spectral shapes and time decays vary with the dimensionality and the synthesis procedure. Moreover, the test of the ability of various nanosized ZnO sample to promote the production of different cytotoxic species unveils that their radio-catalytic activity is affected by the type and concentration of occurring point defects. Thus, by controlling the synthesis parameters and the morphology (size, shape, interfaces) of ZnO nanostructures, its defectiveness can be engineered to tune its optical and catalytic properties. Then, to realize a nano-agent for X-Ray induced photodynamic therapy, ZnO nanoparticles supported onto nanosized silica substrates with different porosity, are functionalized with various concentrations of porphyrins. The study of their optical properties reveals that, under light excitation, the dye luminescence is activated only by a rather poor re-absorption mechanism. Differently, upon X-Ray exposure, the porphyrin emission sensitization is enhanced, especially at low concentrations and high energy of the ionizing beams, by the locally augmented energy deposition favoured by ZnO, as also confirmed by Monte Carlo simulations. These findings highlight the synergic role of X-Ray and functionalization, paving the way for further studies on the impact of nano-agent design on its performances. This PhD project has been performed at the Department of Materials Science of the University of Milano-Bicocca, in collaboration with the NanoMat@Lab for the samples preparation and with Dr Anne-Laure Bulin of the Synchrotron Radiation for Biomedicine Group at the University of Grenoble-Alpes, INSERM, for the computational analysis.