PTDC/CTM PTDC/CTM-NAN/4647/2014

PHOTONIC HYBRIDS AND NANOMATERIALS GROUP

Aveiro-Portugal

university of aveiro

theoria poiesis praxis

physics department

ciceco

aveiro institute of materials

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Designação do projeto |

Nanopartículas integrando aquecedores e termómetros: aplicação ao movimento Browniano e em hipertermia

Código do projeto |

Objetivo principal|

Região de intervenção |

Entidade beneficiária |

Lisboa-01-0145-FEDER-016687

Ver alternativas sugeridas para os cartazes/painéis

Programa Operacional de Lisboa

Instituto de tecnologia Quimica e Biologica

Data de aprovação | 08-04-2016

Data de início | 01-07-2016Data de conclusão | 30-06-2019

Custo total elegível |183 945.00€

Apoio financeiro da União Europeia |FEDER – 149 549.25 EUR

Apoio financeiro público nacional/regional | OE 34 394.75EUR

Objetivos

Este projeto visa desenvolver nanopartículas (NPs) integrando aquecedores e termómetros. O aquecimento é provocado por luz ou por indução magnética, a leitura da temperatura é óptica, e as sondas termométricas raciométricas são iões lantanídeos (Ln3+). Estes sistemas inovadores apresentam um potencial considerável para estudar a transferência de calor e os processos de difusão à escala nanométrica. Como casos de estudo iremos (i) mapear a temperatura intracelular in vitro e in vivo, um parâmetro crucial para melhorar a eficácia da hipertermia, e (ii) medir a velocidade instantânea Browniana das NPs dispersas num líquido.

1) O aquecimento térmico de NPs induzido por indução magnética, plasmónica ou por fonões é não invasiva, tendo aplicações na libertação controlada de fármacos, no controle remoto das funções celulares, em dispositivos plasmónicos e na terapia por hipertermia. Para ser eficaz, o aquecimento local requer o conhecimento da temperatura local do nanoaquecedor. Em hipertermia, é fundamental que os nanotermómetros meçam com precisão a temperatura à superfície dos nanoaquecedores, para que o calor libertado para o ambiente possa ser controlado, permitindo o ajuste dos parâmetros de irradiação e auxiliando, assim, a terapia. Não obstante a intensa actividade da última década, não estão disponíveis nanoaquecedores e nanotermómetros de alto desempenho. Além disso, nanoplataformas eficientes incorporando aquecedores e termómetros ainda não foram desenvolvidas, apesar de alguns trabalhos interessantes publicados no último ano.

2) O desenvolvimento de dispositivos de aquecimento com resolução nanométrica é essencial para poder compreender a propagação e difusão de calor à nanoescala, tal como o movimento Browniano de partículas coloidais num fluído. Desde o século XIX, o movimento Browniano tem promovido uma extensa atividade de investigação teórica e experimental, por exemplo processos dissipativos em sistemas termodinâmicos e motores artificiais, compreensão da formação das galáxias ou o comportamento dos preços da bolsa. Apesar de algumas contribuições seminais, permanece sem resposta a questão de como medir a velocidade instantânea de partículas em movimento em sistemas Brownianos, devido à randomização do movimento à escala de tempos muito curtos. As tentativas anteriores de medir a velocidade Browniana instantânea recorreram a partículas de dimensão micrométrica, a métodos baseados em pinças óticas sofisticadas, e a dispositivos customizados.

ARTIGOS EM REVISTAS

C. D. S. Brites, X. Xie, M. L. Debasu, X. Qin, J. Rocha, X. Liu, L. D. Carlos, “Instantaneous Ballistic Velocity of Suspended Brownian Nanocrystals Measured by Upconversion Nanothermometry”, Nature Nanotechnol. 11, 851–856 (2016), https://dx.doi.org/10.1038/NNANO.2016.111

M. L. Debasu, C. D. S. Brites, S. Balabhadra, H. Oliveira, J. Rocha, L. D. Carlos, “Nanoplatforms for Plasmon-Induced Heating and Thermometry, ChemNanoMat 2, 520–527 (2016), https://dx.doi.org/10.1002/cnma.201600061

S. Balabhadra, M. L. Debasu, C. D. S. Brites, J. Rocha, L.D. Carlos, “Implementing Luminescence Thermometry at 1.3 Micrometers Using (GdNd)2O3 Nanoparticles”, J. Luminescence 180, 25–30 (2016), https://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.07.034

S. Balabhadra, M. L. Debasu, C. D. S. Brites, R. A. S. Ferreira, L. D. Carlos, “A Cost-Effective Quantum Yield Measurement Setup for Upconverting Nanoparticles”, J. Luminescence 189, 64–70 (2017), https://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.03.054

S. Balabhadra, M. L. Debasu, C. D. S. Brites, R. A. S. Ferreira, L. D. Carlos, “Upconverting Nanoparticles Working as Primary Thermometers in Different Media”, J. Phys. Chem. C 121, 13962–13968 (2017), https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b04827

R. Rondão, A. R. Frias, S. F. H. Correia, L. Fu, V. de Zea Bermudez, P. S. André, R. A. S. Ferreira, L. D. Carlos, High-Performance Near-Infrared Luminescent Solar Concentrators, ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 12540−12546 (2017), https://dx.doi.org/10.1021/acsami.7b02700

C. D. S. Brites, M. Fuertes, P. Angelomé, E. Martínez, P. P. Lima, G. Soler-Illia, L. D. Carlos, “Tethering Luminescent Thermometry and Plasmonics: Light Manipulation to Assess Real-Time Thermal Flow in Nanoarchitectures”, Nano Lett. 17, 4746−4752 (2017), https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01433

O. A. Savchuk, J. J. Carvajal, C. D. S. Brites, L. D. Carlos, M. Aguilo, F. Diaz, “Upconversion thermometry: a new tool to measure the thermal resistance of nanoparticles” Nanoscale, 10, 6602−6610 (2018), https://dx.doi.org/10.1039/c7nr08758f.

C. D. S. Brites, K. Fiaczyk, J. F.C.B. Ramalho, M. Sójka, L. D. Carlos, E. Zych, “Widening the temperature range of luminescent thermometers through the intra- and interconfigurational transitions of Pr3+”, Adv. Optical Mater. 1701318 (2018), https://dx.doi.org/10.1002/adom.201701318.

S. Balabhadra, M. L. Debasu, C. D. S. Brites, R. A. S. Ferreira, L. D. Carlos, “Radiation-to-heat conversion efficiency in SrF2:Yb3+/Er3+ upconverting nanoparticles“, Optical Materials 83 1−6 (2018); https://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2018.05.069.

M. L. Debasu, J. C. Riedl, J. Rocha, L. D. Carlos, “Li+ Role in Upconversion Emission Enhancement of (YYbEr)2O3 Nanoparticles”, Nanoscale 10, 15799−15808 (2018), https://dx.doi.org/10.1039/C8NR03608J

R. Piñol, C. D. S. Brites, N. J. Silva, L. D. Carlos, A. Millán, “Nanomaterials for Magnetic and Optical Hyperthermia Applications”, in Nanoscale Thermometry for Hyperthermia Applications, Ed. R. M. Fratila & J. M. Fuente, Elsevier, 2018 (Chapter 6, pp. 139-172). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813928-8.00006-5

C D. S. Brites, S. Balabhadra, L. D. Carlos, “Lanthanide-Based Thermometers: At the Cutting-Edge of Luminescence Thermometry“, Adv. Opt. Mater. 7, 1801239 (2019), https://dx.doi.org/10.1002/adom.201801239

E. D. Martínez, C. D. S. Brites, L. D. Carlos, A. F. García-Flores, R. R. Urbano, C. Rettori, “Electrochromic Switch Devices Mixing Small- and Large-Sized Upconverting Nanocrystals”, Adv. Funct. Mater. 29, 1807758 (2019), https://dx.doi.org/10.1002/adfm.201807758 (highlighted in the front cover)

E. D. Martínez, C. D. S. Brites, L. D. Carlos, R. R. Urbano, C. Rettori, “Upconversion Nanocomposite Materials with Designed Thermal Response for Optoelectronic Devices”, Front. Chem. 7, 83 (2019), https://dx.doi.org/10.3389/fchem.2019.00083

Carlos D. S. Brites, Eduardo D. Martínez, Ricardo R. Urbano, Carlos Rettori, Luís D. Carlos, “Self-Calibrated Double Luminescent Thermometers Through Upconverting Nanoparticles”, Front. Chem. 7, 267 (2019), https://dx.doi.org/10.3389/fchem.2019.00267

A. R. N. Bastos, C. D. S. Brites, P. A. Rojas-Gutierrez, C. DeWolf, R. A. S. Ferreira, J. A. Capobianco, L. D. Carlos, “Thermal Properties of Lipid Bilayers Determined Using Upconversion Nanothermometry”, Adv. Funct. Mater. 29, 1905474 (2019), https://dx.doi.org/10.1002/adfm.201905474

M. L. Debasu, H. Oliveira, J. Rocha, L. D. Carlos, “Colloidal (Gd0.98Nd0.02)2O3 Nanothermometers Operating in a Cell Culture Medium within the First and Second Biological Windows”, J. Rare Earths 38, 483−491 (2020), https://dx.doi.org/10.1016/j.jre.2019.12.011 (highlighted in the front cover)

J. Trojan-Piegza, C. D. S. Brites, J. F. C. B. Ramalho, Z. Wang, G. Zhou, S. Wang, L. D. Carlos, E. Zych, “La0.4Gd1.6Zr2O7:0.1%Pr Transparent Sintered Ceramic – A Wide-Range Luminescence Thermometer”, J. Mater. Chem. C 8, 7005-7011 (2020), https://dx.doi.org/10.1039/D0TC00861C (highlighted in the back cover)

C. D. S. Brites, B. Zhuang, M. L. Debasu, D. Ding, X. Qin, F. E. Maturi, W. W. Y. Lim, De Wen Soh, J. Rocha, Z. Yi, X. Liu, L. D. Carlos, “Decoding a Percolation Phase Transition of Water at ~330 K with a Nanoparticle Ruler”, in revision.

A. R. N. Bastos, C. D. S. Brites, P. A. Rojas-Gutierrez, R. A. S. Ferreira, R. L. Longo, C. DeWolf, J. A. Capobianco, L. D. Carlos, “Thermal Properties of Lipid Bilayers Derived from the Transient Heating Regime of Upconverting Nanoparticles”, in revision.

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