Nanoparticles: Synthesis, Surface Modification and Functionalization for Biological and Environmental Applications

In addition to the type or nature of the nanoparticles (NPs) core, the surface of the obtained nanoparticles plays a crucial role and has great impact on the physicochemical properties of the nanoparticles which reflect in turn on the nanomaterials interactions (with the surrounding medium, biolo...

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Main Author: Abdelmonem, Abuelmagd M.
Contributors: Parak, Wolfgang J. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2014
Physik
Subjects:
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Table of Contents: Neben der Beschaffenheit des Kernmaterials von Nanopartikeln (NP) spielt ihre Oberfläche eine wichtige Rolle, da durch diese die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Nanopartikels maßgeblich beeinflusst werden, was insbesondere die Wechselwirkung mit umgebenden Medien, biologischen Systemen oder der Umgebung beeinflusst, über die Art von möglichen Oberflächenmodifikationen entscheidet und letztendlich damit die Anwendungsbereiche der Nanopartikel definiert. Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf der Synthese, der kontrollierten Oberflächenmodifikation, der Funktionalisierung, der Aufreinigung und schließlich der Charakterisierung von unterschiedlichen Arten von Nanopartikeln (plasmonische, magnetische und Halbleiternanopartikel) um am Ende Kolloide in hochgradig stabilen wässrigen Suspensionen zu erhalten, die sich gleichermaßen für umweltbezogende als auch für biologische Anwendungen eignen. Der größte Teil der ihm Rahmen dieser Arbeit hergestellten Partikel wurde aus anorganischen Materialien hergestellt (5 nm große Au NP, 12 nm große magnetische NP aus Eisenoxid, 3 nm große Eisen-Platinum Partikel, 8 nm große Kobalt-Platinum NP, CdSe/ZnS Hybridpartikel unterschiedlicher Größenverteilungen von 3-5 nm und 7 nm große Quantenpunkte aus ZnO) und durch hydrophobische organische Moleküle, auch Surfactant- order Ligandenmoleküle genannt, stabilisiert. Diese Liganden spielen außerdem eine wichtige Rolle um Form und Größe der Partikel während der Synthese zu kontrollieren und verhindern zusätzliche durch stabilisierende Eigenschaften, dass die NP agglomerieren. Wasserunlösliche (durch hydrophobische Liganden stabilisierte) Nanopartikel, wurden mit Hilfe amphiphiler Polymere, nach einem bereits etablierten Verfahren, von der organischen Phase in wässrige Lösung überführt. Dieses Verfahren ist notwendig, da insbesondere für die meisten bekannten biologischen Anwendungen die Nanomaterialien wasserlöslich sein müssen. Die Stabilisierung der NP in wässriger Lösung basiert dabei auf der Wechselwirkung hydrophober Seitenketten des amphiphilen Polymers, die sich an den ebenfalls hydrophoben NP anlagern, während das hydrophile Rückgrat des Polymers Wasserlöslichkeit garantiert. Dank freier Carboxylatgruppen eignet sich das verwendete Polymer zusätzlich um die nun hydrophile Oberfläche der NP weiter mit beliebigen biologisch aktiven Molekülen zu funktionalisieren. Die erhaltenen, Polymer-umhüllten NP wurden aufgereinigt und mit Hilfe unterschiedlicher Techniken wie Agarosegelelektrophorese, Größenausschluss-Chromatographie, UV-Vis Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie (im Falle fluoreszierender Materialien), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und dynamischer Lichtstreuung (DLS) charakterisiert. Eine schmale Größenverteilung der hydrodynamischen Durchmesser zusammen mit negativer Oberflächenladung (Zeta-Potential) lassen dabei auf eine hohe Qualität und kolloidale Stabilität der synthetisierten monodispersen Nanopartikel schließen. Des Weiteren wurde die Oberfläche einiger wasserlöslicher, Polymer-umhüllter Nanopartikel entweder mit Fluoreszenzfarbstoffen (z.B. Dy-495, DY-647 oder Rhodamin), oder mit Polyethylenglycol, Folsäure oder Methotrexat modifiziert mit dem Ziel, multifunktionale Nanopartikel zu erzeugen, und dadurch ein großes Anwendungsspektrum in biologischen Bereichen zu ermöglichen wie Tracking, Markieren von bestimmten Strukturen, multimodale Bildgebung und gezielter Wirkstofftransport.