Gold Nanoparticles: Synthesis, Surface Modification and Functionalization for Biomedical Applications

The nanoparticles (NPs) surface plays an important role in the interaction of the NPs with surrounding environments, defines their fate in the biological media and it can be engineered to provide a large number of functional groups for different applications. The main topic of this thesis is the...

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Main Author: Soliman, Mahmoud
Contributors: Parak, Wolfgang (Prof.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2016
Physik
Subjects:
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Table of Contents: Die Oberfläche von Nanopartikeln (NP) spielt eine wichtige Rolle bei der Interaktion der Partikel mit ihrer Umgebung, definiert insbesondere ihr Schicksal in biologischen Medien und kann genutzt werden, um eine große Anzahl an funktionalen Gruppen aufzunehmen, die verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten bieten. Das Hauptthema dieser Thesis ist die Synthese, die Oberflächenmodifikation sowie die Charakterisierung von Gold NP (GNP). Die Nanopartikel wurden in den gängigsten Größen (bis hin zu 100 nm Durchmesser) und Formen (sphärisch und stabförmig) synthetisiert. Die verwendeten NP wurden ursprünglich in wässriger Lösung vorbereitet, stabilisiert mittels Zitrat-Ionen im Falle der sphärischen GNP (SGNP) und mittels Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) während der Synthese der stabförmigen GNP (GNR). Diese Ligandenmoleküle sind jedoch nur schwach an die Oberfläche gebunden und daher ungeeignet für biomedizinische Anwendungen der Partikel. Die Stabilisation der GNP war das Hauptziel dieser Arbeit welches durch den Austausch der vorhandenen Liganden durch andere Moleküle mit höherer Affinität zum Kern der GNP und der Anwendung eines das Partikel umgebenden, amphiphilen Polymers (poly(isobutylene-alt-maleic anhydride) dodecylamine grafted, (PMA)) erreicht wurde. Die Technik der Polymer-Beschichtung wird bereits seit Jahren erfolgreich für die Beschichtung verschiedenster NP-Systeme verwendet, welche ursprünglich in organischen Lösungsmitteln synthetisiert werden müssen und auch nur dort stabil sind. Die NP, die mittels dieser Herstellungsvariante erhalten wurden, sind höchst stabil, auch in physiologischen Medien. Um dieser Methode auch für wasserlösliche Systeme nutzen zu können, wurde ein neuartiger Ansatz mittels eines so genannten Wechsels eingeführt, welcher einen Phasentransfer vor dem eigentlichen Beschichten einführt. Zuerst wurden die NP mit Hilfe von α-metoxi-ω-thiol-poly-(ethyleneglycol)- (PEG) Ketten (mPEG-SH (Mw= 750 Da)) stabilisiert, um dann mittels Dodecylamin (DDA) von wässriger Lösung in Chloroform überführt werden zu können. Diese solcher Art DDA-beschichteten NP wurden anschließend mit einem amphiphilen Polymer vermischt und beschichtet, ermöglicht durch die hydrophobe Interaktion der Liganden (Kohlenstoff Ketten) an der Oberfläche der NP sowie den hydrophoben Seitenketten des Polymers. Die resultierenden Polymer-beschichteten-NP wurden anschließend aufgereinigt mittels Gel-Elektrophorese, charakterisiert über UV-Vis Spektroskopie sowie Dynamische Licht Streuung (DLS), Laser Doppler Anemometrie (LDA) und Transmissions Elektronen Mikroskopie (TEM). Ferner wurde die Oberfläche der NP mit PEG verschiedenster Größen modifiziert um die Bildung einer so genannten Protein-Korona zu verhindern sowie die kolloidale Stabilität zu erhöhen. Diese Stabilität wurde daraufhin in unterschiedlichen biologischen Medien mittels UV_VisSpektroskopie und DLS getestet. Außerdem wurde die Toxizität der hergestellten NP sowohl in Krebszelllinien als auch in standard-Zelllinien überprüft und als nicht toxisch eingestuft unterhalb einer Konzentration von 1 mg/mL. Außerdemwurde der Einfluss von GrÖße, Geometrie sowie Oberflächenbeschaffenheit von Nanopartikeln auf deren Interaktion mit Proteinen und Blutzellen untersucht.