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 核化学 化学 离子 光电子学 有机化学 生物 冶金 生物技术
作者
Pengfei Peng,Na Wu,Lixiang 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:75
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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