Controlling the morphology of heavily doped neodymium (Nd3+) ion in rare earth nanoparticles (RENPs) for future use in cancer therapy.

Duru, Chizoba Anita (2024). Controlling the morphology of heavily doped neodymium (Nd3+) ion in rare earth nanoparticles (RENPs) for future use in cancer therapy. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maitrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 85 p.

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Résumé

Les nanoparticules à base de terres rares (RENPs) possèdent un potentiel significatif pour des applications en milieu biologique, à condition qu'elles puissent émettre de la lumière avec une intensité élevée. Pour atteindre cet objectif, il est crucial qu'elles présentent une efficacité optimale d'absorption pour des longueurs d'onde qui ne sont ni absorbées ni diffusées par les tissus biologiques. Une longueur d'onde de 800 nm, dite « biocompatible », est souvent privilégiée car elle réduit l'atténuation du signal et minimise le chauffage nocif tout en permettant une pénétration profonde dans les tissus. En utilisant le néodyme (Nd3+) conjointement avec l'ytterbium (Yb3+) dans des RENPs à base de lanthanides, il est possible de déplacer l'absorption de 980 nm à 800 nm, une plage où l'eau n'absorbe pas la lumière. Des concentrations élevées en Nd3+ (60 mol%) sont avantageuses car elles augmentent à la fois l'absorption et l'émission. Cependant, les nanoparticules fortement dopées RENPs rencontrent souvent des limitations dues aux distorsions du réseau cristallin dans qu'elles soient de type coeur ou coeur-noyau (CS NPs). Ce défi est relevé en optimisant les méthodes de synthèse, notamment en ajustant la température, la concentration des solvants et la durée de réaction.

Cette étude porte sur la synthèse, le contrôle morphologique et l'application de néodyme (Nd3+) fortement dopé pour des usages futurs dans les thérapies photodynamiques (PDT), photothermiques (PTT) et en nanothermomètrie. Ici, le LiYbF4 est utilisé comme matrice hôte pour les RENPs en raison de sa faible énergie photonique, qui favorise une intensité de luminescence élevée avec du Nd3+ fortement dopé. Les performances de luminescence ont été optimisées en construisant une structure coeur/noyau (LiYbF4: Nd3+@LiYF4), qui aide à minimiser l’extinction de la luminescence causée par les défauts. La méthode de synthèse par décomposition thermique a été utilisée pour obtenir des nanoparticules monodisperses. L'ajustement des conditions de réaction, telles que la température et la durée, a permis de former différentes morphologies. Plus précisément, une température de réaction de 330 °C et une durée de 2 h ont favorisé la formation de particules de taille plus grande et plus uniforme. La présence de surfactants comme l'acide oléique (OA), l'oléylamine (OM) et l'octadécène (ODE) a influencé leur forme et leur distribution de taille. La morphologie des RENPs a été caractérisée à l'aide des techniques TEM, SEM, XRD et EDX. De plus, les propriétés de luminescence, pour déterminer la luminescence descendante et la luminescence en fonction de la température (nanothermométrie), ont été analysées par spectroscopie de photoluminescence (PL). La morphologie des RENPs joue un rôle clé dans la détermination des propriétés optiques, des interactions biologiques et de la détection non invasive de la température, ce qui est essentiel pour assurer une efficacité globale dans le traitement du cancer. Des nanoparticules uniformes et bien définies présentent une excellente efficacité de luminescence, une meilleure absorption cellulaire et une distribution améliorée dans l’organisme


Rare-earth nanoparticles (RENPs) have significant potential for use in biological settings, provided they can emit light with high intensity. To achieve this, it's crucial that they have optimal absorption efficiencies for wavelengths that are neither absorbed nor scattered by biological tissues. A wavelength of 800 nm ‘biobenign’ is often favored because it reduces signal attenuation and minimizes harmful heating while allowing for deep tissue penetration. By using neodymium (Nd3+) together with ytterbium (Yb3+) in lanthanide-based RENPs, it's possible to shift the absorption from 980 nm to 800 nm, a range where water does not absorb light. High concentrations of Nd3+ concentrations (60 mol%) are advantageous because they enhance both absorption and emission. However, heavily doped RENPs often face limitations due to lattice distortions in core and core–shell nanoparticles (CS NPs). This challenge is addressed by optimizing synthesis method which involves adjusting the temperature, solvent concentration and reaction time.

This study focuses on the synthesis, morphological control and application of heavily doped Neodymium (Nd3+) for future use in photodynamic (PDT), photothermal therapies (PTT) and nanothermometry. Here LiYbF4 is used as a host matrix for RENPs because of its low phonon energy which gives way to high luminescence intensity with heavily doped Nd3+. The luminescence performance was optimized by constructing a core/shell structure (LiYbF4:Nd3+@LiYF4) which helps to minimize luminescent quenching caused defects. Thermal decomposition synthesis method was used here to achieve the monodisperse nanoparticles. Adjusting the reaction conditions such as temperature and time allowed for the formation of different morphology. Specifically, a reaction temperature of 330 oC and reaction time of 2 h favoured the formation of larger and more uniform particle size. The presence of surfactants such Oleic Acid (OA), Olyeamine (OM) and Octadecene (ODE) influenced their shape and distribution of size. The morphology of RENPs was characterized using TEM, SEM, XRD, and EDX technique. Also, the luminescence properties to determine the downshifiting luminescence and luminescence as a function of temperature (nanothermometry) were analyzed using the photoluminescence (PL) spectroscopy.

The morphology of RENPs is important in determining the optical properties, biological interactions, non invasive temperature detection which is important in ensuring the overall efficiency in cancer treatment. Uniformly shaped and well-defined nanoparticles shows great luminescence efficiency, improved cellular uptake and enhanced biodistribution.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Vetrone, Fiorenzo
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Rosei, Federico
Mots-clés libres:	nanoparticules à base de terres rares ; proche infrarouge ; dopants ; décomposition thermique ; photoluminescence ; luminescence descendante ; thérapies photothermiques ; rare-earth nanoparticles ; near infrared ; dopants ; thermal decomposition ; photoluminescence ; downshifiting ; photothermal therapies
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	27 janv. 2026 14:58
Dernière modification:	27 janv. 2026 14:58
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16851

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