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Il fantastico viaggio dei punti quantici: come usare la magia nella biomedicina?
I Quantum Dots (QD) sono nanoparticelle semiconduttrici con un diametro inferiore a 10 nanometri che presentano proprietà dipendenti dalle dimensioni, soprattutto in termini di assorbimento ottico e fotoluminescenza. In base al loro diametro, il picco di emissione di fluorescenza dei QD può essere regolato, rendendoli sonde ed etichette versatili in campo biomedico. I QD attualmente sul mercato sono costituiti principalmente da materiali contenenti cadmio (Cd), il che rende la loro applicazione negli organismi viventi piena di sfide e controversie perché gli ioni sodio Cd2+ sono altamente tossici per cellule e tessuti. tossicità.
A causa delle preoccupazioni sulla potenziale tossicità negli ambienti biologici, i ricercatori si sono gradualmente rivolti allo sviluppo di punti quantici (CFQD) privi di cadmio per migliorarne la sicurezza nelle applicazioni biomediche.
La nuova generazione di CFQD come i punti quantici di zolfo/ZnSe drogati con zinco, i punti quantici di grafene e i punti quantici di silicio hanno dimostrato la loro bassa tossicità e la buona stabilità colloidale e fotoluminescenza, adatti per modelli in vitro e in vivo. I QD funzionalizzati con DNA o peptidi sono ampiamente utilizzati, principalmente per l'imaging mirato di cellule e tessuti e il monitoraggio della somministrazione di farmaci. Ad esempio, sono disponibili più tecniche per l'imaging di QD privi di Cd, tra cui la microscopia confocale/multifotone e l'imaging CARS. Queste tecniche consentono ai ricercatori di osservare cellule e strutture tissutali con una risoluzione più elevata e in modo più biocompatibile.
Questi QD hanno anche la flessibilità di scindersi con altri reagenti, come nanoparticelle metalliche, etichette radioattive ed etichette Raman, consentendo l'imaging multimodale attraverso nanoetichette multifunzionali basate su QD privi di cadmio.
I punti quantici senza cadmio sono progettati per andare oltre l'imaging e possono anche essere utilizzati come piattaforma per terapie e diagnostica non invasive, note come Theranostics. Recentemente, i punti quantici privi di cadmio hanno mostrato un grande potenziale anche nella produzione di celle solari e display di nuova generazione.
Nel campo della scienza dei materiali, la mania della ricerca sui punti quantici continua a surriscaldarsi. Le proprietà di queste nanoparticelle possono essere manipolate e testate per la loro applicazione per comprenderne ulteriormente il comportamento. Tuttavia, la maggior parte dei QD sono costituiti da metalli pesanti tossici, il che ne limita l'uso nei sistemi biologici. Anche i consumatori acquistano prodotti contenenti sostanze metalliche a rischio.
Ciò ha spinto i ricercatori a sviluppare punti quantici che non contengono metalli pesanti, come punti quantici privi di cadmio, per affrontare questo problema.
Da decenni si perseguono progressi nel campo medico per acquisire conoscenze su malattie sconosciute come il cancro. Sebbene la chemioterapia sia ancora uno dei metodi di trattamento tradizionali, il movimento delle sostanze chimiche tossiche nel corpo comporta rischi considerevoli. A questo punto emerge il potenziale dei punti quantici senza cadmio.
Michael Sailor e il suo team dell'Università della California, a San Diego, hanno sviluppato con successo i primi punti nanoquantici privi di cadmio che emettono luce intensa, consentendo ai medici di esaminare gli organi interni e rilasciare farmaci antitumorali prima che si degradino in sottoprodotti innocui. Questo design basato su wafer di silicio può formare l'acido silicico necessario nel corpo dopo la degradazione nel corpo, che aiuta la normale crescita delle ossa e dei tessuti.
Casi di applicazione
Punti quantici di zinco-zolfo
Come nuovo materiale per sostituire i punti quantici di grado cadmio, i punti quantici di zinco-zolfo (ZnS QD) hanno mostrato molte applicazioni interessanti nella ricerca biomedica, come il rilevamento di tossine alimentari, come la dannosa aflatossina B1, che causa i danni alla salute umana non possono essere sottovalutati.
Punti quantici di indio
Un altro tipo di punti quantici che non contengono metalli pesanti sono i punti quantici a base di indio, in particolare i punti quantici CuInS2, che vengono utilizzati come etichette luminescenti e possono emettere luce nella regione del vicino infrarosso. La stabilità, la bassa tossicità e l’elevata resa quantica di questi punti quantici li rendono candidati promettenti per la somministrazione e l’imaging di farmaci antitumorali.
Punti quantici di silicio
Infine, i punti quantici di silicio stanno gradualmente mostrando il loro potenziale anche nell'optoelettronica e nelle applicazioni biologiche. Questi punti quantici possono essere utilizzati in applicazioni fotochimiche e nel rilevamento biologico, dimostrando il loro valore in applicazioni come il rilevamento della formaldeide nell'acqua.
Man mano che gli scienziati acquisiscono una comprensione più approfondita dei punti quantici, i cambiamenti che potrebbero apportare alla futura biomedicina e alla scienza dei materiali saranno entusiasmanti. Ciò cambierà la nostra visione del trattamento e del rilevamento delle malattie?
