Green graphene quantum dots for cancer imaging and treatment

Abstract

Os pontos quânticos de grafeno (GQDs, do inglês graphene quantum dots), despertaram um enorme interesse nos últimos anos para aplicação em nanomedicina, nomeadamente para fins de teranóstico. Devido ao confinamento quântico e aos efeitos de borda, os GQDs apresentam excelentes propriedades óticas. A elevada área de superfície específica e os grupos funcionais ricos em oxigénio possibilitam a veiculação de diversas moléculas, incluindo quimioterápicos, por meio de interação de empilhamento π– π, ligação eletrostática e pontes de hidrogénio. Além disso, os GQDs são mais seguros que os pontos quânticos tradicionais de semicondutores para aplicação em sistemas biológicos, apresentando baixa toxicidade. Ao integrar simultaneamente abordagens terapêuticas e de imagem, os GQDs beneficiam a medicina personalizada. A síntese verde de nanomateriais tem sido amplamente incentivada dado as atuais preocupações ambientais e de saúde humana. Assim sendo, é desejável desenvolver vias de síntese sem uso de solventes orgânicos nem agentes oxidantes, com eficiência energética e de recursos, empregando materiais renováveis. Várias abordagens de síntese verde de GQDs foram propostas. A síntese assistida por micro-ondas foi adotada para o presente trabalho dada a eficiência energética, requerendo um tempo de reação extremamente curto. Atendendo aos princípios de química verde (GCPs do inglês green chemistry principals), o objetivo deste trabalho consistiu na otimização da síntese de GQDs em solução aquosa por micro-ondas a partir de macroalgas, nomeadamente Saccorhiza polychides e Asparagopsis armata, espécies oportunista e invasora, respetivamente. Os GQDs obtidos a partir de S. polychides nomeadamente na condição de síntese a 500 W durante 8 min revelaram ser eficientes no carregamento e entrega de doxorrubicina (DOX) em ambiente acídico favorecendo a entrega direcionada no local tumoral. A via de síntese verde adotada produziu GQDs biocompatíveis com propriedades óticas favoráveis. Este trabalho propõe mais uma aplicação biotecnológica das macroalgas, contribuindo também para o equilíbrio dos ecossistemas.

Graphene quantum dots (GQDs) have aroused an enormous application interest in nanomedicine in recent years, particularly for theranostics purposes. Due to quantum confinement and edge effects, GQDs exhibit excellent optical properties. The high specific surface area and oxygen-rich functional groups enable the loading of various molecules, including chemotherapeutic drugs through π–π stacking interactions, electrostatic bonding, and hydrogen bonds. Furthermore, GQDs are safer for application in biological systems compared to traditional semiconductor quantum dots, presenting low toxicity. GQDs by simultaneously integrating therapeutic and imaging approaches benefit personalized medicine. The green synthesis of nanomaterials has been widely encouraged given current environmental and human health concerns. Therefore, synthesis routes without the use of organic solvents or oxidizing agents, with energy and resource efficiency, using renewable materials are desirable. Various green synthesis approaches of GQDs have been proposed. Microwave (MW)-assisted synthesis was adopted for the present work given the energy efficient, requiring an extremely short reaction time. Additionally, and considering the principles of green chemistry (GCPs), the objective of this work was to optimize the synthesis of GQDs in aqueous solution by MWs from macroalgae, namely Saccorhiza polyschides, an opportunistic pecies and Asparagopsis armata, an invasive species. The GQDs obtained from S. polyschides, namely in the synthesis condition at 500W for 8 min, proved to be efficient in loading and delivering doxorubicin (DOX) in an acidic environment, favoring targeted delivery to the tumor site. The adopted green synthesis route produced biocompatible GQDs with favorable optical properties. This work highlights yet another biotechnological application of macroalgae, also contributing to the balance of ecosystems.