Imagerie in vivo

Pour conclure cette analyse sur les nanoparticules de gallogermanate de zinc dopées avec des ions Cr3+, une étude par imagerie in vivo a été conduite. L’annexe VII présente des exemples de résultats tirés de la littérature obtenus en imagerie avec ce type de nanoparticules.

a. Préparation des nanoparticules par hydroxylation

Pour cette étude nous avons choisi de travailler avec des nanoparticules hydroxylées. Contrairement aux nanoparticules recouvertes d’un polymère biocompatible tel que le polyéthylène glycol (PEG), les nanoparticules hydroxylées ne circulent pas dans le flux sanguin mais sont directement captées par le foie. Cette captation rend la comparaison des signaux après excitation UV et après excitation visible dans le rouge plus aisée.

Les nanoparticules de Zn1,1Ga1,8Ge0,1 :Cr3+ sont hydroxylées par une digestion dans de

l’acide chlorhydrique 5 mM sous agitation pendant deux jours. Au bout de deux jours, des centrifugations séparatives sont réalisées afin de conserver la fraction de nanoparticules ayant un diamètre hydrodynamique de l’ordre de 70 nm. Les particules sont ensuite séchées par centrifugation sous vide puis redispersées dans une solution stérile de glucose à 5 %.

Les nanoparticules de Zn1.1Ga1.8Ge0.1 :Cr3+ @OH ont un diamètre hydrodynamique de

68 nm (mesuré par diffusion dynamique de la lumière, DLS) et une charge de surface légèrement positive traduisant l’hydroxylation de la surface (potentiel zeta de + 29,0 ± 3,5 mV à pH neutre). La grande différence de taille entre la taille mesurée en microscopie et celle obtenue par DLS peut s’expliquer par le fait que :

- Par DLS la mesure de la taille prend en compte la sphère de solvatation des nanoparticules, qui ont en plus à leur surface une couche d’ions OH-

voir des molécules de glucose qui ont pu se fixer à la surface.

- Les particules peuvent s’être agrégées, conduisant à l’hydroxylation d’amas de quelques particules et donc à une taille plus élevée que celle observée en microscopie électronique à transmission.

153

b. Imagerie

La Figure 4.31 illustre le protocole suivit pour l’imagerie in vivo utilisant des nanoparticules à luminescence persistante.

Figure 4.31 : Schéma illustrant le protocole d’imagerie in vivo.

2 mg de nanoparticules sont injectés par souris balb/cJRj de 20 g. Les nanoparticules sont excitées pendant 1 min avec une lampe UV 254 nm, 6 W. L’injection est faite dans le coin interne de l’œil du petit animal. L’acquisition de 16 minutes est démarrée 10 minutes après la fin de l’excitation. Trois heures après l’injection, et une fois le signal revenu dans le bruit de fond, les nanoparticules sont réexcitées in vivo avec une LED orange/rouge, 70 W pendant 1 min. L’acquisition de 20 min est débutée 2 min après la fin de l’excitation. La Figure 4.32 montre les images obtenues après les deux excitations.

Excitation ex vivo Lampe UV 254 nm – 1 min

Excitation in vivo LED orange/rouge – 1 min

Image 1 Image 2

154

Figure 4.32 : Biodistribution in vivo de nanoparticules de Zn1,1Ga1,8Ge0,1O4 :Cr

3+

(0,5 %) calcinées 2 h

à 800°C a) 10 min après l’injection des nanoparticules pré-excitées dans l’UV (λex = 254 nm) ;

b) 3 heures après l’injection et 2 min après réexcitation in vivo dans le visible (LED orange/rouge).

L’utilisation de nanoparticules de gallogermanate de zinc dopé avec des ions Cr3+

permet d’effectuer de l’imagerie optique basée sur la luminescence persistante puisqu’un signal est détecté plusieurs minutes après la fin de l’excitation. Comme attendu les particules hydroxylées sont captées par le foie. Les résultats obtenus en spectroscopie sont confirmés. En effet l’excitation UV (Figure 4.32a) conduit à un signal plus intense que l’excitation dans le visible (Figure 4.32b).

Ces résultats d’imagerie permettent d’envisager l’utilisation de ces nanoparticules pour effectuer des suivis à long terme puisque la luminescence persistante peut être simulée efficacement in vivo dans le visible. Cependant, cette étude est basée uniquement sur des nanoparticules hydroxylées, qui sont directement captées par le foie. Il serait donc intéressant dans une étude future de fonctionnaliser ces nanoparticules avec un polymère biocompatible. En les fonctionnalisant, par exemple avec des chaines polyéthylène glycol (PEG), les nanoparticules sont furtives et circulent dans le corps du petit animal. Ces résultats pourraient ensuite être comparés à ceux obtenus avec des nanoparticules de ZnGa2O4 :Cr3+(0,5 %) afin de

confirmer que les résultats obtenus sur poudre (luminescence persistante plus intense et pouvant durer plus longtemps dans les cas des nanoparticules Zn1,1Ga1,8Ge0,1O4 :Cr3+ (0,5 %))

sont aussi vrais in vivo.

1 2 3 4 5 b) a) 0 .8 1 1 .2 1 .4 0 .6

155

Conclusion

Dans ce chapitre il a été démontré que le matériau de référence, ZnGa2O4 :Cr3+ (0,5 %)

utilisé pour les expériences d’imagerie optique in vivo basées sur la luminescence persistante peut être amélioré de façon à obtenir un déclin plus long et plus intense. La Figure 4.33 résume les différentes améliorations proposées soit en ajoutant un codopant (Bi3+) soit en modifiant légèrement la matrice (incorporation d’ions Ge4+).

Figure 4.33 : Déclin de la luminescence persistante exprimé en radiance, des différentes

nanoparticules de ZnGa2O4 :Cr 3+ (0,5 %) calcinées 2 h à 800°C, ZnGa2O4 :Cr 3+ (0,5 %)Bi 3+ (0,5 %) calcinées 2 h à 800°C et de Zn1,1Ga1,8Ge0,1O4 :Cr 3+ (0,5 %) calcinées 2 h à 800°C.

Signal enregistré après 5 min d’excitation UV (λex = 250 – 380 nm).

En ajoutant du bismuth comme codopant le matériau est mieux cristallisé et moins désordonné localement améliorant ainsi les propriétés de luminescence persistante par rapport aux nanoparticules uniquement dopées avec des ions Cr3+. En modifiant légèrement la composition de la matrice en ajoutant du germanium, on améliore d’un ordre de grandeur l’intensité de luminescence persistante. L’incorporation d’ion Ge4+

augmente le nombre de Cr3+ à proximité d’anti-sites (raie N2 intense). Ces ions Cr3+ comme déjà démontré dans les

chapitres précédents sont les centres émetteurs responsables de la luminescence persistante. L’apport du désordre dans la structure se traduit par des sites octaédriques distordus qui peuvent jouer le rôle de nouveaux pièges pour la luminescence persistante.

L’effet des ions Bi3+

et Ge4+ sur la structure ZnGa2O4 sont antagonistes et permettent

d’illustrer la complexité de la compréhension des mécanismes de luminescence persistante. En effet, en codopant des nanoparticules de Zn1,1Ga1,8Ge0,1O4 :Cr3+ (0,5 %) avec des ions Bi3+

les propriétés de luminescence persistante ne sont pas exaltées.

ZnGa2O4: Cr3+(0.5%)

Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4: Cr3+(0.5%)

156

À ce stade, nous pouvons considérer que l’optimisation de la luminescence persistante avec la matrice ZnGa2O4 est aboutie pour les applications d’imagerie optique avec le système

conventionnel disponible à l’Unité de Technologies Chimiques et Biologiques pour la Santé (collaboration avec Cyrille Richard). Pour envisager une rupture dans la qualité des images obtenues, il faut donc augmenter le rapport signal sur bruit et la sensibilité, ce qui nécessite de considérer d’autres matériaux. Une des solutions possibles est de décaler l’émission légèrement vers le proche infrarouge en changeant de matrice. On peut penser par exemple à l’utilisation d’un matériau tel que la pérovskite LaAlO3 :Cr3+-Sm3+. Dans ce matériau

l’émission du Cr3+

après excitation UV est décalée à 734 nm 19,20. Ce matériau peut être synthétisé à l’échelle nanométrique par coprécipitation suivie d’un traitement thermique. Cette analyse fait l’objet d’une étude présentée dans l’annexe VIII. Le principal inconvénient de cette matrice est que le chrome ne peut pas être excité dans le domaine du visible, donc la réexcitation in situ n’est pas possible. De plus, comme nous l’avons développé dans le premier chapitre, l’efficacité des détecteurs CCD diminue lorsque la longueur d’onde est proche du proche infrarouge (Figure 4.34). Cependant, notons qu’il existe tout de même des détecteurs CCD avec une sensibilité exaltée dans le rouge/proche infrarouge. Afin d’augmenter la sensibilité il est proposé de se tourner vers des matériaux émettant au-delà de 1000 nm dans les fenêtres de transparences des tissus II et III. La description de ces matériaux à luminescence persistante dans l’infrarouge sera l’objet du prochain chapitre.

Figure 4.34 : Efficacité des détecteurs CCD et InGaAs en fonction de la longueur d’onde

et des différentes fenêtres biologiques. Adapté de Smith et al. 21.

FB I FB II FB III

157

Bibliographie

(1) Matsuzawa, T. A new long phosphorescent phosphor with high brightness, SrAl2O4:Eu2+,Dy3+. J. Electrochem. Soc. 1996, 143 (8), 2670.

(2) Yamamoto, H.; Matsuzawa, T. Mechanism of long phosphorescence of SrAl2O4:Eu2+,

Dy3+ and CaAl2O4:Eu2+, Nd3+. J. Lumin. 1997, 72–74 (97), 287–289.

(3) Zhuang, Y.; Ueda, J.; Tanabe, S. Enhancement of red persistent luminescence in Cr3+- doped ZnGa2O4 phosphors by Bi2O3 codoping. Appl. Phys. Express 2013, 6 (5), 52602.

(4) Hu, Z.; Ye, D.; Lan, X.; Zhang, W.; Luo, L.; Wang, Y. Influence of co-Doping Si ions on persistent luminescence of ZnGa2O4:Cr3+ red phosphors. Opt. Mater. Express 2016, 6 (4),

1329-1338.

(5) Shi, J.-P.; Sun, X.; Zhu, J.; Li, J.-L.; Zhang, H.-W. One-step synthesis of amino- functionalized ultrasmall near infrared-emitting persistent luminescent nanoparticles for in

vitro and in vivo bioimaging. Nanoscale. 2016, 8 (18), 9798–9804.

(6) Zhao, H.-X.; Yang, C.-X.; Yan, X.-P. Fabrication and bioconjugation of BIII and CrIII co-Doped ZnGa2O4 persistent luminescent nanoparticles for dual-targeted cancer bioimaging.

Nanoscale. 2016, 8 (45), 18987–18994.

(7) Zou, R.; Huang, J.; Shi, J.; Huang, L.; Zhang, X.; Wong, K.-L.; Zhang, H.; Jin, D.; Wang, J.; Su, Q. Silica shell-assisted synthetic route for mono-disperse persistent nanophosphors with enhanced in vivo recharged near-infrared persistent luminescence. Nano

Res. 2017, 10 (6), 2070–2082.

(8) Pan, Z.; Lu, Y.-Y.; Liu, F. Sunlight-activated long-persistent luminescence in the near- infrared from Cr3+-doped zinc gallogermanates. Nat. Mater. 2011, 11 (1), 58–63.

(9) Allix, M.; Chenu, S.; Véron, E.; Poumeyrol, T.; Kouadri-Boudjelthia, E. A.; Alahraché, S.; Porcher, F.; Massiot, D.; Fayon, F. Considerable improvement of long- persistent luminescence in germanium and tin substituted ZnGa2O4. Chem. Mater. 2013, 25

(9), 1600–1606.

(10) Li, Y.-J.; Yan, X.-P. Synthesis of functionalized triple-doped zinc gallogermanate nanoparticles with superlong near-infrared persistent luminescence for long-term orally administrated bioimaging. Nanoscale. 2016, 8 (32), 14965–14970.

(11) Kim, J. S.; Oh, E. S.; Choi, J. C.; Lee, M.; Bahng, J. H.; Park, H. L.; Kim, T. W. Sn mole fractions forming as single phases in ZnGa2−xSnxO4 phosphors. Int. J. Inorg. Mater.

2001, 3 (2), 183–185.

(12) Zhuang, Y.; Ueda, J.; Tanabe, S. Tunable trap depth in Zn(Ga1−xAlx)2O4:Cr,Bi red

persistent phosphors: considerations of high-temperature persistent luminescence and photostimulated persistent luminescence. J. Mater. Chem. C. 2013, 1 (47), 7849.

(13) Maldiney, T.; Bessière, A.; Seguin, J.; Teston, E.; Sharma, S. K.; Viana, B.; Bos, A. J. J.; Dorenbos, P.; Bessodes, M.; Gourier, D.; Scherman, D.; Richard, C. The in vivo activation of persistent nanophosphors for optical imaging of vascularization, tumours and grafted cells.

Nat. Mater. 2014, 13 (4), 418–426.

(14) Tanabe, Y.; Sugano, S. On the absorption spectra of complex ions II. J. Phys. Soc.

Japan. 1954, 9 (5), 766–779.

(15) Seltzer, M. D. Interpretation of the emission spectra of trivalent chromium-doped garnet crystals using Tanabe-Sugano diagrams. J. Chem. Educ. 1995, 72 (10), 886-888. (16) E. House, J. Inorganic Chemistry; Elsevier, 2008.

(17) Bessière, A.; Sharma, S. K.; Basavaraju, N.; Priolkar, K. R.; Binet, L.; Viana, B.; Bos, A. J. J.; Maldiney, T.; Richard, C.; Scherman, D.; Gourier, D. Storage of visible light for

158

long-lasting phosphorescence in chromium-doped zinc gallate. Chem. Mater. 2014, 26 (3), 1365–1373.

(18) Zhuang, Y.; Katayama, Y.; Ueda, J.; Tanabe, S. A brief review on red to near-infrared persistent luminescence in transition-metal-activated phosphors. Opt. Mater. (Amst). 2014, 36 (11), 1907–1912.

(19) Biasotto, G.; Simões, A. Z.; Foschini, C. R.; Zaghete, M. A.; Varela, J. A.; Longo, E. Microwave-hydrothermal synthesis of perovskite bismuth ferrite nanoparticles. Mater. Res.

Bull. 2011, 46 (12), 2543–2547.

(20) Katayama, Y.; Kobayashi, H.; Ueda, J.; Viana, B.; Tanabe, S. Persistent luminescence properties of Cr3+-Sm3+ activated LaAlO3 perovskite. Opt. Mater. Express. 2016, 6 (5), 1500-

1505.

(21) Smith, A. M.; Mancini, M. C.; Nie, S. Bioimaging: second window for in vivo imaging. Nat. Nanotechnol. 2009, 4 (11), 710–711.

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CHAPITRE 5

Nanoparticules à luminescence persistante pour

l’imagerie optique au-delà de la première fenêtre de

161