Development of rare earth tantalates doped with lanthanide ions for multimodal bioimaging and nanothermometry

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).