Hybrid Gold Nanoparticles for Nanomedical Applications

The present dissertation focuses on the synthesis of different sized gold nanoparticles (Au NPs), their phase transfer to aqueous solution, their characterization and functionalization for applications in modern nanomedicine. As this is a cumulative written dissertation the presented achievements...

Ausführliche Beschreibung

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1. Verfasser: Hühn, Jonas
Beteiligte: Parak, Wolfgang (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2017
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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description The present dissertation focuses on the synthesis of different sized gold nanoparticles (Au NPs), their phase transfer to aqueous solution, their characterization and functionalization for applications in modern nanomedicine. As this is a cumulative written dissertation the presented achievements were already published or are about to be published. However, the attempt is to describe the main goals and experimental emphases contributed during the time of this dissertation. The synthesis of Au NPs is described via two different reduction methods leading to different sized nanocrystals. For smaller NPs of about 4 nm core diameter, Au3+ ions are reduced by the addition of sodium borohydride. Bigger NPs with about 18.5 nm core diameter are produced by Au3+ reduction using citric acid. In both cases molecules need to be present that confer colloidal stability and lead to increased interparticle repulsion. Such stabilizing ligands may need to be replaced during a phase transfer to ensure water soluble NPs. They also serve in many cases as anchor point for functional modifications of the NP's surface and therefore have to be selected critically with regard to their intended application. After synthesis the Au NP's intrinsic stability needs to be verified against ionic strength, to ensure the NPs are suitable for additional functionalization reactions and also stable within physiological media. After thoroughly examination and analysis a promising hybrid NP system out of Au NPs and an amphiphilic polymer coating did not full fill the demanding criteria needed for functionalization and in vitro investigations. Amendments towards 17.8 nm Au NPs with polyethylene glycol (PEG) as polymer layer allowed water solubility of NPs, adequate colloidal stabilization and feasible targeted functionalization. The functionalization basically is to implement In3+ ions as label onto the polymer shell around the NP. Additionally a protein corona composed of bovine serum albumin (BSA) is adsorbed to the NPs surface that undergoes a prelabeling procedure using iodine. With the Au NP itself and the labeled polymer shell and protein corona, a triple labeled system is created that can be analyzed for its degradation within mammalian cell lines using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Summarized a triple labeled system of Au NP, polymer shell and protein corona was synthesized for in vitro degradation testing that can be equipped with radio nuclide tracers that allow more complex degradation experiments on animals in future.
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Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die Synthese unterschiedlich großer Goldnanopartikel (Au NPs), deren Phasenübergang in wässrige Lösungen, sowie Charakterisierung und Funktionalisierung für moderne nanomedizinische Anwendungen. Da dies eine kumulativ geschriebene Dissertation ist, wurden und werden die vorgestellten Ergebnisse in anderer Form veröffentlicht. Die Kernziele und experimentellen Schwerpunkte, die zur Bearbeitung der Dissertation beigetragen haben, sind in hinreichender Form beschrieben. Die Synthese von Au NPs wird über zwei verschiedene Reduktionsmethoden beschrieben, welche zu unterschiedlich großen Nanokristallen führen. Bei kleineren NPs, von etwa 4 nm Kerndurchmesser, werden Au3+-Ionen durch Zugabe von Natriumborhydrid reduziert. Größere NPs mit etwa 18.5 nm Kerndurchmesser werden durch Reduktion von Au3+-Ionen mit Zitronensäure dargestellt. In beiden Fällen müssen Moleküle vorhanden sein, welche den NPs ihre kolloidale Stabilität verleihen und so zu einer erhöhten interpartikulären Abstoßung führen. Solche Liganden müssen gegebenenfalls während eines Phasenübergangs ersetzt werden, um die Wasserlöslichkeit der NPs zu gewährleisten. Zusätzlich dienen sie in vielen Fällen als Ankerpunkt für funktionelle Modifikationen der Nanopartikeloberfläche und müssen daher kritisch, hinsichtlich ihrer beabsichtigten Anwendung gewählt werden. Nach der Synthese muss die intrinsische Stabilität der Au NPs gegenüber erhöhter Ionenstärke einer Lösung überprüft werden, um sicherzustellen, dass die NPs für zusätzliche Funktionalisierungsreaktionen geeignet sind und auch in physiologischen Medien stabil sind. Nach sorgfältiger Untersuchung und Analyse hat ein vielversprechendes Hybrid-NP-System aus Au NPs und einer amphiphilen Polymerbeschichtung die anspruchsvollen Kriterien, die für die Funktionalisierung und in vitro-Untersuchungen erforderlich sind, nicht vollständig erfüllt. Änderungen an 17.8 nm Au NPs mit Polyethylenglykol (PEG) als Polymerschicht erlaubten die Wasserlöslichkeit von NPs, eine adäquate kolloidale Stabilität und eine gezielte Funktionalisierung. Die Funktionalisierung besteht darin, In3+-Ionen als Marker in die Polymerschicht einzubringen welche die Au NPs umhüllt. Zusätzlich wird eine Proteinkorona aus Rinderserumalbumin (eng.: bovin serum albumin (BSA)) an die Partikeloberfläche adsorbiert, welche mittels Iodatome markiert wird. Mit den Au NPs, der markierten Polymerhülle und Proteinkorona wird ein dreifach markiertes System geschaffen, dessen Zersetzung innerhalb von Säugetierzellen mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (eng.: inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)) analysiert werden kann. Zusammengefasst wurde ein dreifach markiertes System aus Au NPs, Polymerhülle und Proteinkorona dargestellt dessen in vitro-Zersetzung untersucht werden kann und mit radioaktiven Markern ausgestattet, in Zukunft komplexere Zersetzungsexperimente an Tieren ermöglicht.
Hühn, Jonas
Hybrid Gold Nanoparticles for Nanomedical Applications
contents Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die Synthese unterschiedlich großer Goldnanopartikel (Au NPs), deren Phasenübergang in wässrige Lösungen, sowie Charakterisierung und Funktionalisierung für moderne nanomedizinische Anwendungen. Da dies eine kumulativ geschriebene Dissertation ist, wurden und werden die vorgestellten Ergebnisse in anderer Form veröffentlicht. Die Kernziele und experimentellen Schwerpunkte, die zur Bearbeitung der Dissertation beigetragen haben, sind in hinreichender Form beschrieben. Die Synthese von Au NPs wird über zwei verschiedene Reduktionsmethoden beschrieben, welche zu unterschiedlich großen Nanokristallen führen. Bei kleineren NPs, von etwa 4 nm Kerndurchmesser, werden Au3+-Ionen durch Zugabe von Natriumborhydrid reduziert. Größere NPs mit etwa 18.5 nm Kerndurchmesser werden durch Reduktion von Au3+-Ionen mit Zitronensäure dargestellt. In beiden Fällen müssen Moleküle vorhanden sein, welche den NPs ihre kolloidale Stabilität verleihen und so zu einer erhöhten interpartikulären Abstoßung führen. Solche Liganden müssen gegebenenfalls während eines Phasenübergangs ersetzt werden, um die Wasserlöslichkeit der NPs zu gewährleisten. Zusätzlich dienen sie in vielen Fällen als Ankerpunkt für funktionelle Modifikationen der Nanopartikeloberfläche und müssen daher kritisch, hinsichtlich ihrer beabsichtigten Anwendung gewählt werden. Nach der Synthese muss die intrinsische Stabilität der Au NPs gegenüber erhöhter Ionenstärke einer Lösung überprüft werden, um sicherzustellen, dass die NPs für zusätzliche Funktionalisierungsreaktionen geeignet sind und auch in physiologischen Medien stabil sind. Nach sorgfältiger Untersuchung und Analyse hat ein vielversprechendes Hybrid-NP-System aus Au NPs und einer amphiphilen Polymerbeschichtung die anspruchsvollen Kriterien, die für die Funktionalisierung und in vitro-Untersuchungen erforderlich sind, nicht vollständig erfüllt. Änderungen an 17.8 nm Au NPs mit Polyethylenglykol (PEG) als Polymerschicht erlaubten die Wasserlöslichkeit von NPs, eine adäquate kolloidale Stabilität und eine gezielte Funktionalisierung. Die Funktionalisierung besteht darin, In3+-Ionen als Marker in die Polymerschicht einzubringen welche die Au NPs umhüllt. Zusätzlich wird eine Proteinkorona aus Rinderserumalbumin (eng.: bovin serum albumin (BSA)) an die Partikeloberfläche adsorbiert, welche mittels Iodatome markiert wird. Mit den Au NPs, der markierten Polymerhülle und Proteinkorona wird ein dreifach markiertes System geschaffen, dessen Zersetzung innerhalb von Säugetierzellen mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (eng.: inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)) analysiert werden kann. Zusammengefasst wurde ein dreifach markiertes System aus Au NPs, Polymerhülle und Proteinkorona dargestellt dessen in vitro-Zersetzung untersucht werden kann und mit radioaktiven Markern ausgestattet, in Zukunft komplexere Zersetzungsexperimente an Tieren ermöglicht.
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Such stabilizing ligands may need to be replaced during a phase transfer to ensure water soluble NPs. They also serve in many cases as anchor point for functional modifications of the NP's surface and therefore have to be selected critically with regard to their intended application. After synthesis the Au NP's intrinsic stability needs to be verified against ionic strength, to ensure the NPs are suitable for additional functionalization reactions and also stable within physiological media. After thoroughly examination and analysis a promising hybrid NP system out of Au NPs and an amphiphilic polymer coating did not full fill the demanding criteria needed for functionalization and in vitro investigations. Amendments towards 17.8 nm Au NPs with polyethylene glycol (PEG) as polymer layer allowed water solubility of NPs, adequate colloidal stabilization and feasible targeted functionalization. The functionalization basically is to implement In3+ ions as label onto the polymer shell around the NP. Additionally a protein corona composed of bovine serum albumin (BSA) is adsorbed to the NPs surface that undergoes a prelabeling procedure using iodine. With the Au NP itself and the labeled polymer shell and protein corona, a triple labeled system is created that can be analyzed for its degradation within mammalian cell lines using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Summarized a triple labeled system of Au NP, polymer shell and protein corona was synthesized for in vitro degradation testing that can be equipped with radio nuclide tracers that allow more complex degradation experiments on animals in future. 2017-12-20 2017-12-05 Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die Synthese unterschiedlich großer Goldnanopartikel (Au NPs), deren Phasenübergang in wässrige Lösungen, sowie Charakterisierung und Funktionalisierung für moderne nanomedizinische Anwendungen. Da dies eine kumulativ geschriebene Dissertation ist, wurden und werden die vorgestellten Ergebnisse in anderer Form veröffentlicht. Die Kernziele und experimentellen Schwerpunkte, die zur Bearbeitung der Dissertation beigetragen haben, sind in hinreichender Form beschrieben. Die Synthese von Au NPs wird über zwei verschiedene Reduktionsmethoden beschrieben, welche zu unterschiedlich großen Nanokristallen führen. Bei kleineren NPs, von etwa 4 nm Kerndurchmesser, werden Au3+-Ionen durch Zugabe von Natriumborhydrid reduziert. Größere NPs mit etwa 18.5 nm Kerndurchmesser werden durch Reduktion von Au3+-Ionen mit Zitronensäure dargestellt. In beiden Fällen müssen Moleküle vorhanden sein, welche den NPs ihre kolloidale Stabilität verleihen und so zu einer erhöhten interpartikulären Abstoßung führen. Solche Liganden müssen gegebenenfalls während eines Phasenübergangs ersetzt werden, um die Wasserlöslichkeit der NPs zu gewährleisten. Zusätzlich dienen sie in vielen Fällen als Ankerpunkt für funktionelle Modifikationen der Nanopartikeloberfläche und müssen daher kritisch, hinsichtlich ihrer beabsichtigten Anwendung gewählt werden. Nach der Synthese muss die intrinsische Stabilität der Au NPs gegenüber erhöhter Ionenstärke einer Lösung überprüft werden, um sicherzustellen, dass die NPs für zusätzliche Funktionalisierungsreaktionen geeignet sind und auch in physiologischen Medien stabil sind. Nach sorgfältiger Untersuchung und Analyse hat ein vielversprechendes Hybrid-NP-System aus Au NPs und einer amphiphilen Polymerbeschichtung die anspruchsvollen Kriterien, die für die Funktionalisierung und in vitro-Untersuchungen erforderlich sind, nicht vollständig erfüllt. Änderungen an 17.8 nm Au NPs mit Polyethylenglykol (PEG) als Polymerschicht erlaubten die Wasserlöslichkeit von NPs, eine adäquate kolloidale Stabilität und eine gezielte Funktionalisierung. Die Funktionalisierung besteht darin, In3+-Ionen als Marker in die Polymerschicht einzubringen welche die Au NPs umhüllt. Zusätzlich wird eine Proteinkorona aus Rinderserumalbumin (eng.: bovin serum albumin (BSA)) an die Partikeloberfläche adsorbiert, welche mittels Iodatome markiert wird. Mit den Au NPs, der markierten Polymerhülle und Proteinkorona wird ein dreifach markiertes System geschaffen, dessen Zersetzung innerhalb von Säugetierzellen mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (eng.: inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)) analysiert werden kann. Zusammengefasst wurde ein dreifach markiertes System aus Au NPs, Polymerhülle und Proteinkorona dargestellt dessen in vitro-Zersetzung untersucht werden kann und mit radioaktiven Markern ausgestattet, in Zukunft komplexere Zersetzungsexperimente an Tieren ermöglicht. 2017 http://dx.doi.org/10.17192/z2017.0778 Hybride Goldnanopartikel für nanomedizinische Anwendungen Hybrid Gold Nanoparticles for Nanomedical Applications urn:nbn:de:hebis:04-z2017-07787 2017-12-19 Hühn, Jonas Hühn Jonas ths Prof. Dr. Parak Wolfgang Parak, Wolfgang (Prof. Dr.) Philipps-Universität Marburg opus:7938
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