Biodegradable Inorganic Upconversion Nanocrystals for In Vivo Applications

光子上转换 体内 镧系元素 生物降解 材料科学 纳米晶 生物相容性 纳米技术 发光 化学 离子 光电子学 有机化学 生物 生物技术 冶金
作者
Pengfei Peng,Na Wu,Li-Xiang Ye,Feilong Jiang,Wei Feng,Fuyou Li,Yongsheng Liu,Maochun Hong
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (12): 16672-16680 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c02601
摘要

Lanthanide-doped inorganic upconversion nanocrystals (UCNCs) are promising as fluorescent diagnostic and therapeutic agents for in vivo applications ranging from biological imaging to disease theranostics. However, all currently available lanthanide-doped inorganic UCNCs are not biodegradable and thus cannot be harmlessly eliminated from the body of living organism during a reasonable period of time, making their clinical translations nearly impossible. Here, we report a class of red-emitting biodegradable UCNCs based on Yb3+/Er3+-doped inorganic potassium heptafluozirconate (K3ZrF7:Yb/Er) that features a dynamically "soft" crystal lattice containing water-soluble [ZrF7]3- cluster and a K+ cation. The red-emitting K3ZrF7:Yb/Er UCNCs exhibit a pH-dependent biodegradation capability upon exposure to water both in vitro and in vivo, and the rapid biodegradation rate, monitored using the intrinsic red upconversion luminescence, can be tuned particularly in a mild acidic tumor microenvironment (pH ∼5-6). More importantly, the final biodegradation products of K3ZrF7:Yb/Er UCNCs can be excreted from the body of mice in a short period of time with no evidence of toxicity, in stark contrast to the nondegradable β-NaYF4:Yb/Er UCNCs that primarily accumulate in the main organs of mice. These findings described here unambiguously would benefit the future biomedical applications and clinical translations of lanthanide-doped inorganic UCNCs.
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