Synthesis and Surface Modification of Inorganic Nanoparticles for Application in Physics and Medicine

The core focus of this cumulative thesis is the synthesis, the characterization, and the polymer coating or the surface modification of different types of inorganic nanoparticles (NPs), e.g., semiconductor, magnetic, plasmonic, and titanium oxide NPs. These NPs are used in the field of physics, biot...

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Main Author: Masood, Atif
Contributors: Parak, Wolfgang J. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
Subjects:
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Table of Contents: Der Schwerpunkt dieser kumulativen Dissertation liegt in der Synthese, der Charakterisierung und der Polymerbeschichtung oder der Oberflächenmodifizierung verschiedener Arten von anorganischen Nanopartikeln (NPs), z. B. Halbleiter-, magnetischen, plasmonischen und Titanoxid-Nanopartikeln. Diese NPs werden auf dem Gebiet der Physik, der Biotechnologie, der Nanomedizin oder der Biowissenschaften sowohl für die Diagnose als auch für die Therapie eingesetzt. Die Anwendungen dieser NPs hängen von ihren einzigartigen Eigenschaften ab, welche mit ihrer Größe, Form und der Materialzusammensetzung korrelieren. Die kolloidale Stabilität dieser Nanokristalle oder Nanopartikel in verschiedenen Medien (z. B. organische Lösungen, Wasser und Zellkulturmedien) wurde mithilfe von Verkappung-smitteln oder durch Umhüllen des Nanopartikel Kernes mit geeigneten Liganden oder Tensiden erreicht. Die kolloidalen NPs, die während dieser Forschungsarbeit synthetisiert wurden, wurden mit hydrophoben Liganden (z.B. Ölsäure, Oleylamin usw.) funktionalisiert, um sie in organischen Lösungen, wie z.B. Toluol und Chloroform, stabil zu halten. Für einige Anwendungen aber ist ein vorheriger Transfer der NPs von organischen zu wässrigen Lösungen erforderlich, insbesondere wenn die NPs Zellkulturmedien oder anderen wässrigen Medien ausgesetzt werden sollen. Dazu werden die NPs mit einem amphiphilen Polymer umhüllt. Als Polymer wird Poly(isobutylen-alt-maleinsäureanhydrid) (Molekülmasse: 6000 Da) verwendet, welches mit hydrophoben Seitenketten aus Dodecylamin gepfropft ist. Die erwähnten vier Arten von hergestellten NPs waren: (i) Halbleiter-NPs, dazu gehören die hydrophoben Cadmiumsulfid(CdS)-Quantenpunkte (QDs), die verwendet werden für organische Szintillations-Neutrino-Detektionsexperimente; für PPO(2,5-Diphenyloxazol)-Styrol-basierte Kunststoff-Szintillationsdetektoren; für zeitaufgelöste Spektralmessungen und für Fluoreszenzstudien mit verschiedenen Oberflächenbeschichtungen; zusätzlich wurden wasserlösliche CdS, Mangan-dotierte CdS und Zinksulfid (ZnS) Nanopartikel mit und ohne Mangan-Dotierung synthetisiert und konstruiert, um verschiedene Experimente zum Verhalten von Nanomaterialien (NMs) in Umweltmedien, wie z. B. Fluss- und Seewasser, durchzuführen; (ii) magnetische NPs (MNPs), die nur aus einem Kern (Eisenoxide Magnetit) bestehen und vi magnetische Kern-Schale-Eisenoxid-NPs mit Kobalt- und Manganferriten; (iii) plasmonische NPs wie Gold- und Silber-NPs, die in Kombination mit Eisenoxid-NPs (jeweils 4 nm) für Toxizitäts-Screening- und Dosisbestimmungstests verwendet wurden, und (vi) Titandioxid(TiO2)-NPs mit unterschiedlichen Größen und Formen ( d. h. Würfel, Stäbchen, Platten und Doppelpyramiden), die für folgende In-vivo-Experimente verwendet wurden: Die Bewertung der Bio-Verteilung, Ansammlung organischer Stoffe, biologische Barriere-durchlässigkeit und mögliche Organtoxizität nach einmaliger intravenöser Gabe von TiO2-NP, und Untersuchung des Einfluss von Form und Geometrie der TiO2 NPs auf die genannten Effekte. Zusätzlich zu den oben erwähnten In-vivo-Studien wurden einige andere In-vivo-Experimente durchgeführt um folgende Punkte zu analysieren: (i) den Einfluss der biologischen Umgebung (z.B. Lungenflüssigkeit, Speichel und Magen- / Darmflüssigkeit) auf das Verhalten und die Toxizität der NPs, unter Verwendung komplexer Co-Kultursysteme für den Darm und die Alveolen, (ii) die Wirkung von NPs auf die Aktivierung des Inflammasoms und (iii) den Einfluss von NPs auf die Reifung und Aktivierung dendritischer Zellen. Zusätzlich zu den oben erwähnten Experimenten zur Synthese und Oberflächenmodifizierung wurde eine weitere Studie mit dem Ziel durchgeführt, drei verschiedene Arten von NPs (d. h. plasmonische, fluoreszierende und magnetische) in wässrige Phase zu transferieren, für die Verwendung in Hydrogel-, Aerogel- und Heterogel-Anwendungen. In dieser Studie wurden bimetallische (Gold-Kupfer) plasmonische Nano Cubes, fluoreszierende (Cadmiumselenid / CdS) Kern-Schalen-Nanostäbchen und magnetische Eisenoxid (Fe3O4) Nanokügelchen erfolgreich in die wässrige Phase übertragen, unabhängig von ihren unterschiedlichen Größen von 5-40 nm in mindestens einer Dimension. Wasserlösliche NPs wurden mittels Gelelektrophorese oder Ultrazentrifugation von Micellen (leeres Polymer) gereinigt und anschließend für alle in vivo-Studien sterilisiert. Die qualitative und quantitative Analyse all dieser NPs wurde mittels verschiedener Charakterisierungstechniken durchgeführt, wie z. B. UV/VIS-Spektroskopie, Fluorimetrie, dynamischer Lichtstreuung, Gelelektrophorese, Transmissionselektronenmikroskopie, Massen-spektrometrie mit induktiv gekoppelte Plasma und Röntgenbeugungsanalyse.