Silver nanoparticles - From the synthesis to the biological application

The main topic of this doctoral thesis was the synthesis and characterization of defined silver nanoparticles (Ag NPs). These particles were synthesized with different sizes and modified surface chemistry. Two core sizes were synthesized. One, very small particle (~2 nm core) with hydrophilic ligand...

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Main Author: Pfeiffer, Christian
Contributors: Parak, Wofgang (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2013
Physik
Subjects:
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Table of Contents: Das Hauptaugenmerk dieser Doktorarbeit lag auf der Synthese und Charakterisierung von definierten Silbernanopartikeln (Ag NPs). Die Partikel wurden in zwei unterschiedlichen Größen und veränderter Oberflächenchemie hergestellt. Erstens sehr kleine (~2 nm Kerndurchmesser) mit hydrophilen Liganden auf der Oberfläche und zweitens größere (~4,2 nm Kerndurchmesser), bei denen verschiedene Beschichtungen untersucht wurden. Zusätzlich wurde das Potential der Partikel auf die Anwendung in biologischen Systemen untersucht. Hierzu mussten die Partikel in wässrigen Medien stabil sein. Um dies zu gewährleisten, wurde die Stabilität in Natriumchloridlösungen gemessen. Ein weiterer wichtiger Punkt, besonders für Silbernanopartikel, ist die Zytotoxizität der unterschiedlichen Partikel. Die Zytotoxizität der Silbernanopartikel ist von besonderer Bedeutung aufgrund der zu beobachteten antimikrobiellen Wirkung. Hierzu wurde die Toxizität in zwei unterschiedlichen Zelllinien untersucht. Die sehr kleinen Partikel (~2 nm), sogenannte Nanocluster (NCs), wurden in zwei Stufen hergestellt. Nach der Reduktion des Silberprecursors wurde zunächst ein Ätzschritt und im Anschluss daran eine Ligandenaustauschreaktion durchgeführt. Dieser Austausch ermöglichte den Partikeln auch die Stabilität in wässrigen Medien. Während der gesamten Synthese änderten sich sowohl Größe als auch Größenverteilung der Partikel. Zu Beginn herrschte eine breite Größenverteilung und es lagen Größen bis zu ca. 30 nm vor. Nach dem Ätzen war die Verteilung bereits erheblich enger und auch die Größen waren auf ungefähr 5 nm geschrumpft. Die schlussendliche Kerngröße von beinahe 2 nm mit einer sehr engen Verteilung wurde nach der Austauschreaktion erreicht, wonach die Cluster in einer wässrigen Suspension vorlagen. Ein großer Vorteil dieser Cluster war ihre rote Fluoreszenz, wodurch sie für die Betrachtung in vitro nicht mit einem zusätzlichen Farbstoff versehen werden mussten. Die zweite Art der Partikel wies eine Kerngröße von ca. 4,2 nm auf und wurde durch eine einfache chemische Reduktion hergestellt. Allerdings musste hierfür zunächst ein Vorläufer des eigentlichen Liganden hergestellt werden. Nach der Synthese lagen die Partikel als graues Pulver vor und besaßen eine hydrophobe Oberfläche. Um diese nun in die wässrige Phase zu überführen, wurden zwei unterschiedliche Wege untersucht. Einerseits wurde eine Ligandenaustauschreaktion mit einem hydrophilen Liganden und andererseits das Beschichten der Partikel mit einem amphiphilen Polymer durchgeführt. Ein Vorteil der Beschichtung der Partikel ist die einfache, zusätzliche Veränderung der Oberfläche. Hierzu wurden die Oberflächen mit einem Farbstoff und/oder Polyethylenglycol (PEG) versehen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Toxizität der Partikel hierdurch erheblich reduziert wurde. Diese geringere Toxizität basiert einerseits auf der gestiegenen Stabilität der Partikel und andererseits auf der geringeren Aufnahme durch die Zellen für den Fall einer vollständigen Bedeckung der Partikeloberfläche mit PEG. Ein Anstieg der Stabilität gegenüber Natriumchlorid wurde zudem auch für kommerzielle Goldnanopartikel gefunden, insofern diese der gleichen Behandlung wie die Silbernanopartikel unterzogen wurden. Da diese kommerziellen Goldpartikel allerdings mit Zitrat stabilisiert wurden, mussten diese zunächst in die organische Phase überführt werden, um die gleiche Oberfläche wie Silberpartikel aufzuweisen. Nichtsdestoweniger zeigten die Silbernanopartikel einen zytotoxischen Effekt, was auf die Freisetzung von Silber(I)ionen zurückzuführen ist. Die Freisetzung wurde bei zwei unterschiedlichen pH Werten untersucht. Bei einem neutralen pH Wert zeigten weder die mit hydrophilen Liganden stabilisierten Partikel noch die mit Polymer umwickelten Partikel eine Freisetzung von mehr als 0,1% nach 14 Tagen. Unter sauren Bedingungen hingegen (pH 3) zeigten alle Partikel eine Freisetzung von rund 1% nach nur 7 Tagen. In Relation der Gesamtmenge an Silber mit einem Silbersalz war die Konzentration an Silberionen aus den Partikeln recht gering. Allerdings zeigten diese eine erhöhte Toxizität aufgrund ihrer besseren Aufnahme bzw. der Freisetzung im Inneren der Zellen. Abschließend lässt sich sagen, dass die definierte Synthese und Modifikation von verschiedenen Silbernanopartikeln durchgeführt werden konnte und obwohl diese eine erheblich gesteigerte Stabilität aufweisen, haben sie niemals ihre zytotoxischen Eigenschaften verloren.