Luan Passini, doctorant à Softmat, a soutenu sa thèse sur des nanoparticules pour l’imagerie dans le proche infrarouge

Luan a réalisé ses recherches dans l’équipe IDeAS du laboratoire Softmat.

Le 4 juillet, il a soutenu sa thèse intitulée : “Synthèse et caractérisation de nanoparticules à base de lanthanides pour l’imagerie temporellement résolue dans le proche infrarouge”

Son travail a porté sur le développement de nanoparticules « upconversion » (UCNPs), conçues pour être utilisées comme agents de contraste dans l’imagerie optique asynchrone, dans la région du proche infrarouge (NIR).

Les nanoparticules synthétisées, reposant sur une matrice hôte de type β-NaYF4, ont été co-dopées avec trois ions lanthanides, Tm³⁺, Yb³⁺ et Nd³⁺, afin d’obtenir une émission de Tm³⁺ à 802 nm suite à une excitation de Nd³⁺ à 808 nm. Afin de minimiser les processus non radiatifs tels que la relaxation croisée (CR), les transferts d’énergie inverses et l’extinction globale de la luminescence, une architecture de type cœur@coquilles multiples a été mise en œuvre. La triade Nd-Yb-Tm a été spatialement répartie dans différentes couches : le cœur contenait Tm³⁺ et Yb³⁺ ; une coquille intermédiaire incorporait uniquement Yb³⁺ ; et la coquille externe comprenait Nd³⁺ et Yb³⁺. Dans cette configuration, Tm³⁺ agit comme activateur, Yb³⁺ joue le rôle de médiateur d’énergie, et Nd³⁺ fonctionne comme sensibilisateur, chargé d’absorber la lumière d’excitation à 808 nm.

Les UCNPs ont été synthétisées par co-précipitation à haute température, avec des efforts d’optimisation visant à obtenir une cristallinité élevée et une pureté de phase optimale. La caractérisation structurale et morphologique a été réalisée par microscopie électronique en transmission (MET), MET haute résolution (HRTEM), diffraction des rayons X sur poudre (DRX) et diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), confirmant la formation de nanoparticules β-NaYF4 monodispersées de 10 à 35 nm.

Les mesures de photoluminescence sous excitation à 980 nm ont mis en évidence une émission ascendante (UC) renforcée pour les architectures cœur@coquilles multiples par rapport aux autres configurations. Sous excitation à 808 nm, un transfert d’énergie efficace au sein de la triade Nd-Yb-Tm a été observé. La spectroscopie résolue en temps a révélé des durées de vie de luminescence longues, dans l’échelle des microsecondes à millisecondes. Pour améliorer davantage les performances UC, des stratégies de sensibilisation par colorant ont été explorées. Grâce à leur large section efficace d’absorption, les colorants organiques ont permis un transfert d’énergie de type FRET (Förster Resonance Energy Transfer) vers les UCNPs, entraînant des renforcements d’intensité allant jusqu’à 40 800, 797 et 604 fois, respectivement, par rapport aux échantillons non sensibilisés.

Cependant, le colorant fréquemment utilisé, l’ICG, a montré une faible photostabilité sous irradiation laser prolongée, soulignant la nécessité de développer des sensibilisateurs plus stables. Pour des applications biologiques, des UCNPs dispersibles en milieu aqueux ont été préparées et évaluées sous excitation à 808 nm. Une émission UC a été obtenue avec succès en milieu aqueux. La cytotoxicité a été évaluée par des tests MTT sur trois lignées cellulaires : H9c2, HUVEC et HCF, après 24 et 48 heures d’exposition. Les cellules H9c2 se sont révélées les plus sensibles, suivies des cellules HUVEC ; les cellules HCF n’ont montré aucun effet cytotoxique significatif, même à des concentrations allant jusqu’à 200 µg·mL⁻¹.

Enfin, un système d’imagerie temporellement résolue a été conçu sur mesure et testé. Ce système a démontré une imagerie asynchrone efficace en excitation et détection à 800 nm, exploitant la transparence maximale des tissus biologiques dans cette région spectrale. Les résultats ont confirmé la faisabilité et le fort potentiel de cette approche pour l’imagerie optique in vivo. La spectroscopie photoacoustique a également été réalisée, révélant le potentiel prometteur des UCNPs pour des applications d’imagerie in vivo.