Estudo e caracterização de novos materiais piezofotónicos aprimorados com inovadores nanotubos de carbono funcionalizados

Abstract

A excitação de moléculas e materiais de alta absorção pode levar a muitos mecanismos de desativação tais como emissão de radiação, libertação de calor no ambiente circundante, variação conformacionais, etc. Quando espécies excitadas libertam energia de forma não rediativas, libertando calor para o ambiente circundante podem, dependendo das características da fonte de luz pulsada utilizada da luz pulsada e do material alvo, originar dois tipos de ondas de pressão: ondas de choque e ondas fotoacústicas (PA). As ondas de choque são produzidas pela ablação do material e propagam-se a velocidade ultrassônica. As ondas PA, produzidas pela expansão termoelástica de um material confinado, propagam-se nos materiais à velocidade do som com aumento moderado da pressão do sistema, ma potencialmente com escadas temporais curtas e larguras de banda de ondas mais amplas1.As características únicas das ondas PA, especialmente a alta frequência das ondas geradas, permitiram-nos desenvolver tecnologias inovadoras no campo da transfecção de genes com o uso de ondas fotoacústicos2 e da administração de fármacos por via transdérmica1,3 sem a existência de toxicidade e efeitos adversos em qualquer um desses dois casos. São utilizados materiais que foram desenvolvidos para converter pulsos de laser de nanossegundos em ondas de PA, de forma a permeabilizar o estrato córneo e melhorar a administração transdérmica de medicamentos1.Neste trabalho pretendemos corresponder á necessidade de desenvolver especificamente materiais para o uso em entrega intercelular de genes3, com características mais eficientes e otimizadas para lasers pulsados de picosegundos, gerando ondas PA com faixas de pressão mais altas e uma mais ampla banda de frequências, designadamente para frequências elevadas (mais do que 100 MHz).Adicionalmente pretende-se que os materiais absorvam eficientemente na zona do infravermelho próximo, designadamente a 1064 nm, comprimento de onda típico de lasers pulsados acessíveis (Nd-YAG) Apresentamos pela primeira vez os resultados relativos a novos nanotubos de carbono funcionalizados, com diferentes tamanhos de PDMS (polidimetilsiloxano), que absorvem fortemente a radiação (μa> 20), e dissipam rapidamente o excesso de energia em calor, conjugado com polímeros com alto coeficiente de expansão térmica. Conjugado esses dois fatores, podemos gerar ondas PA intensas e de alta frequência, ou seja, com comprimentos de onda acústicos menores do que os já relatados na literatura e mais próximos das dimensões celulares, antecipando o aumento da eficiência da transfecção genética sem causar toxicidade adicional.No decorrer no trabalho conseguiu-se obter resultados motivadores, conseguindo, com os materiais de carbono, produzir resultados semelhantes aos produzidos por os materiais de referência, tanto a 532 nm, como a 1064 nm conseguindo assim trabalhar com os matériais de carbono na zona do infravermelho próximo. Porém a frequência das ondas fotoacústicas produzidas não foram aumentadas de forma constante, sendo este um resultado a tentar melhorar num futuro próximo

Excitation of highly absorbing molecules and materials can lead to many deactivation mechanisms, such as radiation emission, release of heat into the surrounding environment, conformational variation, etc. When excited species release energy by non-radiactive ways, releasing heat for surrounding environment, depending on the characteristics of the utilized source of the pulsed light and the target material, originated two types of the pressure waves: shock waves and photoacoustic waves (PA). The shock waves are produced by ablation of material and propagate themselves an ultrasonic speed. The PA waves, that are produced by thermoelastic expansion of a confined material, propagate into the materials at the speed of sound with moderate rise in system pressure but with short rise times and broader wave bandwidths1.The unique characteristics of the PA waves, especially the high frequency of the generated waves, have enabled us to develop innovative technologies in the field of photoacoustic gene transfection2 and drug delivery by transdermal way1,3 not existing toxicity and adverse effects in any of these two cases. We used materials that were developed to convert nanosecond laser pulses into PA waves capable of permeabilizing the stratum corneum and enhance transdermal drug delivery1.In this paper we intend to respond to the need to develop specifically materials for intercellular gene delivery2 with more efficient and optimized features for picoseconds pulsed lasers generating PA waves with higher pressure ranges and higher broadband frequency, namely for high frequencies (more than 100 Mhz). It is also intended that materials absorb efficiently in the near infrared zone, namely at 1064 nm, typical wavelength of accessible pulsed lasers (Nd-YAG). For the first time, we present the results of new functionalized carbon nanotubes, with different size of PDMS (polydimethylsiloxane) strongly absorb radiation (μa>20closerd rapidly dissipate the excess energy into heat, conjugated with polymers that have a high thermal expansion coefficient. Conjugated these two factors we can generated intense PA waves and high frequency, this is, acoustic wavelengths smaller than those already reported in the literature and closer to the cellular dimensions, thus anticipating the increased efficiency of the genetic transfection without causing additional toxicity.In the course of the work, motivating results were achieved, with our materials producing results similar to those produced by the reference materials at both 532 nm and 1064 nm and thus working with carbon materials, near infrared zone. However, the frequency of the produced photoacoustic waves has not been steadily increased, which is a result that we are trying to improve in the near future