Kestoluminesenssimateriaalit biofotonisissa implanttisovelluksissa

Abstract

Työssä valmistettiin SrAl₂-xGaxO₄:Eu²⁺,Ln³⁺-materiaaleja, joiden avulla pyrittiin selvittämään, voidaanko isäntähilan koostumusta muokkaamalla saavuttaa Tm3+-ionin 475 nm:n upkonversioemissiolla virittyvä kestoluminesenssimateriaali biofotonisia implanttisovelluksia varten. Kestoluminesenssillä tarkoitetaan ilmiötä, jossa valon emissio jatkuu virityslähteen poistamisen jälkeen. Upkonversioemissioon perustuvan lähestymistavan etuna on, että implantti voidaan virittää elimistöön sijoittamisen jälkeen hyvin kudosta läpäisevällä NIR-valolla.

Biofotonisten implanttien toiminta perustuu bioaktiivisesta lasista valmistettujen huokoisten ja kolmiulotteisten tukirakenteiden sijoittamiseen elimistöön korvattavan luukudoksen tilalle. Tukirakenne jäljittelee oikeaa luukudosta tarjoten kasvualustan uusille soluille. Elimistössä bioaktiivinen lasi liukenee, jolloin sen pinnalle muodostuu implantin ja ympäröivän luukudoksen sitoutumisen mahdollistava hydroksiapatiittikerros. Biofotonisissa implanteissa kestoluminesenssimateriaali voisi toimia paikallisena ja pitkäkestoisena valonlähteenä mahdollistaen valokytkettävien lääkeaineiden hallitun vapauttamisen tukirakennetta ympäröivään kudokseen.

Tutkielman lähtökohtana toimi kaksi tunnettua kestoluminesenssimateriaalia: 365 nm:n virityksellä vihreänä loistava SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ sekä 450 nm:n virityksellä punaisena loistava SrGa2O4:Eu2+,Dy3+. Oletuksena oli, että materiaalin viritys- ja emissioaallonpituuksiin voidaan vaikuttaa korvaamalla SrAl2O4-isäntähilan alumiinia asteittain galliumilla. Työssä valmistettiin kiinteän faasin synteesillä kaksi kuuden näytteen sarjaa, jotka sisälsivät eri Al/Ga-suhteita. Sulatteen vaikutusta tutkittiin valmistamalla toinen sarja ilman sulatetta. Valmistetuista Al/Ga-sarjoista valittiin kaksi isäntähilakoostumusta, joihin seostettiin vuorotellen eri lantanideja Dy:n tilalle. Näytteiden alkuainekoostumus ja rakenne määritettiin XRF- sekä XRD-mittauksilla. Optisia ominaisuuksia tutkittiin emissio-, viritys-, jälkiloiste- ja luminanssimittauksilla.

Tulosten perusteella sekä alumiinia että galliumia sisältävän SrAl₂-xGaxO₄:Eu2+,Ln3+-faasin synteesi on mahdollista. Sulatteen käytön havaittiin parantavan materiaalin kiteytymistä sekä luminesenssin intensiteettiä ja kestoa. Isäntähilan Al/Ga-suhde, käytetty koaktivaattori ja viritysaallonpituus vaikuttivat emission aallonpituuteen ja jälkiloisteeseen. Tässä työssä kehitetyt kestoluminesenssimateriaalit tarjoavat tietoa isäntähilan koostumuksen ja seosionien vaikutuksesta viritys-, emissio- ja jälkiloisteominaisuuksiin, mikä antaa lisää työkaluja kestoluminesenssimateriaalien optimoimiseen biofotonisia implanttisovelluksia ajatellen.