Dans le domaine médical, la bio-imagerie est devenue un puissant outil de diagnostic non invasif, comprenant une grande variété de modalités d’imagerie, telles que l’imagerie optique (OI), l’imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomodensitométrie (CT), l’imagerie photoacoustique (PA), entre autres. Ces techniques offrent des avantages complémentaires et des informations précieuses sur les systèmes biologiques, permettant des avancées significatives tant en recherche fondamentale qu’en diagnostic clinique. Pour répondre à la demande croissante de détection d’image plus efficace et plus fiable, l’imagerie multimodale, qui combine plusieurs techniques d’imagerie, constitue une approche prometteuse, tout en bénéficiant des avantages spécifiques de chaque méthode. Dans ce contexte, le défi consiste à développer un matériau unique capable d’assurer un bon contraste dans plusieurs modalités d’imagerie. Pour ça, les matériaux à base de Gd3+ sont largement exploités en raison de leur configuration électronique (4f7) à sept électrons non appariés et son nombre atomique élevé (Z=64), qui leur confère d’excellentes propriétés paramagnétiques ainsi qu’une capacité d’absorption des rayons X. Le Ta, possédant un nombre atomique encore plus élevé (Z = 73), présente également une forte atténuation des rayons X, ce qui en fait un agent de contraste (CA) très efficace pour la tomodensitométrie. Pour ces raisons, les matériaux à base de tantale et de gadolinium (notamment l’oxyde de tantalate et les tantalates de terres rares) ont été identifiés comme des candidats prometteurs pour les étudier dans ce but.
La voie de synthèse joue un rôle essentiel dans le controle morphologie et la taille des particules. Bien que le nombre de publications sur ces matériaux ait augmenté ces dernières années, peu d’études se sont concentrées sur le contrôle de la taille et de la forme de ces composés. Nous proposons ici une méthode de synthèse innovante pour les oxydes de tantale (Ta2O5) et les tantalates de terres rares (RE3TaO7 et RETaO4), dopés ou non avec des ions lanthanides (Ln3+=Eu, Er, Yb, Tm, Nd), utilisant l’éthylène glycol comme solvant.
Dans un premier temps, nous présentons l’optimisation de la synthèse et la caractérisation de Ta2O5 co-dopé avec les ions Er3+/Yb3+, en étudiant l’effet de la température de recuit et de la concentration de Yb3+. Les propriétés nanothermométriques ont également été analysées selon la loi de Boltzmann, à partir du rapport des transitions 2H11/2 → 4I15/2 et 4S3/2 → 4I15/2 des ions Er3+.
Un bon contrôle de la taille et de la morphologie des RE3TaO7 a été obtenu par la méthode de synthèse polyol, ouvrant la voie à diverses applications biomédicales. Compte tenu du numéro atomique important, de la densité élevée et des propriétés optiques du Gd3TaO7, ces matériaux émergent comme de solides candidats pour des sondes d’imagerie multimodale. L’étude s’est donc focalisée sur l’évaluation de leurs propriétés et de leur potentiel en tant qu’agents de contraste dans différentes modalités (IRM, CT, OI, y compris la time-gated luminescence - TGL).
Enfin, la synthèse de nanoparticules de tantalates RE (RE3TaO7, RE = Y, Dy, Gd) a permis d’obtenir des particules sphériques de ~40 nm. La formation de phases cubiques pures a été confirmée, et leur potentiel pour l’imagerie multimodale a été exploré. Une attention particulière a été accordée au contrôle de phase dans les tantalates de gadolinium. Finalement, des nanoparticules pures de phase M’-GdTaO4 ont été obtenues après optimisation des rapports de précurseurs, surmontant les problèmes de séparation de phase. Ces matériaux présentent des propriétés scintillantes prometteuses, ouvrant des perspectives intéressantes pour la thérapie photodynamique assistée par rayons X (X-PDT). |
In the medical field, bioimaging has emerged as a powerful non-invasive diagnostic tool, including a diverse array of imaging modalities, such as optical (OI), magnetic resonance (MR), computed tomography (CT), photoacoustic (PA), among others. These techniques provide different advantages and valuable information to biological systems and enabling advancements in both research and clinical diagnostics. To address the growing demand for more efficient and reliable image detection, multimodal imaging is an approach that combines different imaging modalities, benefiting from their respective advantages. In this context, the challenge is to develop a single material that has good contrast capabilities in the across different techniques. For that, Gd3+-based materials have been extensively explored due to the seven unpaired electron configuration (4f7) of Gd3+ and its high atomic number (Z = 64), which endows it with excellent paramagnetic properties and X-ray absorption capabilities. Also, Ta possess a high atomic number (Z=73), which gives it a strong X-ray attenuation property, making it an excellent contrast agent (CA) for CT as well. For these reasons, tantalum- and gadolinium-based materials (tantalum oxide and rare earth (RE) tantalates) have been identified as suitable candidates for study in this application
The synthetic route plays an important role in the morphology and size of the particles. Although the number of publications on these materials has grown, most of these studies have not reported on the morphology and size control of these compounds. Here, we proposed novel synthesis for Ta2O5 and RE tantalates (RE3TaO7 and RETaO4) (undoped and doped with Ln3+ ions, Ln=Eu, Er, Yb, Tm, Nd) with structural, morphological, and size control using ethylene glycol as a solvent.
First, we bring the synthesis optimization and the material characterization of Er3+/Yb3+ co-doped Ta2O5, where we study the influence of the annealing temperature and of the Yb3+ ions concentration. Their nanothermometric properties were also investigated based on Boltzmann distribution law, from the ratio of 2H11/2 → 4I15/2 and 4S3/2 → 4I15/2 transitions of Er3+ ions.
Second, the control of the size and morphology of these RE3TaO7 materials was achieved via polyol-mediated method, paving the way to their use in several biomedical applications. Considering the factors such as high atomic number, high density, and the optical properties of Gd3TaO7 [12], these tantalates emerge as strong and promising candidates as a multimodal imaging probe. Therefore, the focus was to investigate their properties and evaluate the feasibility of the application of these materials as CAs in different imaging techniques (MR, CT, and OI, including time-gated luminescence - TGL).
Next, we show the synthesis of RE tantalate nanoparticles (RE3TaO7, for RE=Y, Dy, and Gd), achieving ~40 nm spherical particles. The formation of pure cubic phases and their potential for multimodal imaging are explored. Special attention is given to the challenges of phase control in gadolinium tantalates. Finally, the pure phase M’-GdTaO4 nanoparticles was obtained, overcoming the challenges of phase separation through optimization of precursor ratios. These particles exhibited promising scintillating properties, with perspectives for X-ray photodynamic therapy (X-PDT). |