Synthesis and physical characterization of Carbon Quantum Dots from watermelon seed towards a biological application

Abstract

Los Puntos Cuánticos de Carbono (CQDs) han surgido como una alternativa innovadora para la administración de medicamentos al integrarse en hidrogeles destinados a apósitos de heridas. Este enfoque aprovecha las propiedades excepcionales de los CQDs, como su capacidad para una liberación controlada, orientación precisa y monitoreo en tiempo real, basadas en su biocompatibilidad y su fluorescencia. La síntesis de CQDs es un proceso que explora diversas metodologías, desde la ablación láser hasta la síntesis hidrotermal, siendo esta última la más simple y rentable. La síntesis verde, especialmente utilizando biomasa como semillas de sandía, resulta ventajosa desde perspectivas económicas, ambientales y tecnológicas, contribuyendo a los principios de la economía circular y permitiendo aplicaciones biomédicas. La metodología utilizada comprende cuatro fases. En la primera fase, se sintetizan los CQDs mediante el método hidrotermal. La segunda fase implica la caracterización física de los CQDs mediante diversas técnicas, como espectroscopía Ultravioleta-visible (UV-vis), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Dispersión Dinámica de Luz (DLS), Microscopía de Fuerza Atómica (AFM), espectroscopía Raman, espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos-X (XPS) y Microscopía de Fluorescencia. En la tercera fase, se preparan hidrogeles con Alcohol Polivinílico y Metilcelulosa de Hidroxipropil. La fase final implica ensayos para evaluar la actividad antimicrobiana y la citotoxicidad de los CQDs, tanto en su forma pura como cuando están integrados en los hidrogeles. El estudio de síntesis hidrotermal reveló una concentración de 30 mg/ml de CQDs. Los CQDs presentaron una morfología redonda, casi esférica, confirmada por SEM. En el SEM, su tamaño fue de 142 nm; sin embargo, DLS indicó un tamaño de aproximadamente 500 a 1000 nm. Para dar sentido a estos resultados, se realizó un análisis de zeta potencial, que mostró un valor de 2.35 mV tendiendo a cero, sugiriendo que los tamaños encontrados tanto en SEM como en DLS son agregados. El análisis de AFM se llevó a cabo para confirmar el tamaño de los CQDs, revelando un tamaño de 10 nm. En los resultados de Raman, se observaron dos picos predominantes alrededor de 1340 y 1590 〖cm〗^(-1), comúnmente atribuidos a la banda D desordenada y la banda G cristalina, respectivamente. El análisis del espectro FTIR revela la presencia de diversos grupos funcionales en los CQDs, como hidroxilo, amina, enlaces C-H (sp2) y C-H (sp3), carbonilo, alqueno/alquino, amida, éter, y enlaces C-O. XPS confirmó la presencia de Carbono, Nitrógeno y Oxígeno en los CQDs. Finalmente, los estudios de fluorescencia demostraron una alta fluorescencia con el tiempo en el rango azul. En cuanto a la aplicación biológica, se encontró que los CQDs por sí solos no exhiben actividad antimicrobiana. Por otro lado, los CQDs por sí solos y cuando están incrustados con HPMC no son tóxicos a concentraciones de 0.03, 0.3 y 0.5 mg/ml. En cambio, cuando se combinan con PVA, muestran una ligera toxicidad. La potente fotoluminiscencia y la baja citotoxicidad de los CQDs los convierten en excelentes candidatos para la administración de medicamentos mediante hidrogeles.