title: Functional Gold Nanoparticles for Biomedical Applications
title: Funktionale Gold-Nanopartikel für biomedizinische Anwendungen
Creators: name: Hühn, Dominik
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Titration
surface functionalization
Physik
Grenzfläche
Oberfläche
Proteine
Gold
Fluoreszenz
Polymere
Sensor
Plasmon
nanoparticles
ion sensing
Nanopartikel
Cytotoxizität
Nanotechnologie
cytotoxicity
protein corona

description: Zusammenfassung Die Thematik der
      vorliegenden Arbeit umfasst die Synthese, die
      Funktionalisierung und die Charakterisierung von kolloidalen
      Gold-Nanopartikeln. Die verwendeten Nanopartikel bestehen aus
      einem anorganischen Au Kern von ungefähr 5 nm Durchmesser,
      der durch hydrophobe Moleküle an der Oberfläche stabilisiert
      wird. Um die Nanopartikel in wässrige Umgebungen zu
      überführen (eine unverzichtbare Notwendigkeit für
      biomedizinische Anwendungen), werden sie mit einem
      amphiphilen Polymer ummantelt, das zum einen Wasserlösligkeit
      generiert und zum anderen die Möglichkeit zur weiteren
      Funktionalisierung eröffnet. Die physikochemischen
      Eigenschaften solcher Nanopartikel werden unter verschiedenen
      Gesichtspunkten verifiziert: Zunächst werden einige
      fundamentale intrinsische Oberflächeneigenschaften
      quantifiziert, was die Etablierung der pH-Titration als
      Charakterisierungsmethode einschließt. Es wird gezeigt, dass
      Carboxygruppen, die für die kolloidale Stabilisierung sorgen,
      teilweise verschiedene Eigenschaften (etwa ihr pKs-Wert),
      verglichen mit freien Carbonsäuren, besitzen. Diese
      Erkenntnisse sind bedeutend für die kolloidale Stabilisierung
      von Nanopartikeln wie auch für ihre weitere
      Funktionalisierung. Des weiteren werden zwei Typen von
      fluoreszent markierten Nanopartikeln, die sich in erster
      Ordnung nur in ihrer Netto-Oberflächenladung unterscheiden,
      verwendet, um die ladungsabhängige Interaktion von
      Nanopartikeln mit biologischen Systemen, einschließlich
      Proteinen und lebenden Zellen, zu untersuchen. Eine
      wesentliche Erkenntnis ist, dass sich um die Nanopartikel
      eine sogenannte Protein-Corona ausbildet, was weitreichende
      Auswirkungen auf die zelluläre Internalisierung hat. Darüber
      hinaus wird gezeigt, dass positiv geladene Nanopartikel
      stärker mit Zellen assoziieren, was mit einer höheren
      Toxizität verbunden ist. Zuletzt werden Nanopartikel an der
      Oberfläche mit ionensensitiven Farbstoffen funktionalisiert
      um Sensor-Anwendungen zu ermöglichen. Positiv geladene
      Nanopartikel werden mit einem Cl--sensitiven Farbstoff
      modifiziert und negativ geladene Nanopartikel mit einem
      Zn2+-sensitiven Farbstoff. Die Ziele der Dissertation können
      wie folgt zusammenfassend dargestellt werden: 1) Erweiterung
      der bestehenden Techniken für die
      Nanopartikel-Funktionalisierung, speziell in Bezug auf neue
      Typen von funktionalen Polymeren. 2) Eine fundamentale und
      umfassende Charakterisierung von Nanopartikeln, die von der
      Verifizierung intrinsischer, physikochemischer Eigenschaften
      bis hin zu biomedizinischen Anwendungen reicht.
description: Abstract Subjects of the present
      dissertation are the synthesis, the functionalization and the
      characterization of colloidal gold nanoparticles. The
      employed nanoparticles consist of an inorganic Au core of
      approximately 5 nm diameter, which is stabilized by
      hydrophobic surface molecules. To transfer the nanoparticles
      to aqueous environments (an indispensable necessity for
      biomedical applications) they are coated with an amphiphilic
      polymer, which generates water solubility and moreover gives
      the ability for further functionalization. The
      physico-chemical properties of such nanoparticles are
      verified within different purposes: First, several
      fundamental intrinsic surface properties are quantified,
      including the establishment of pH titration as
      characterization tool. It is found that the carboxylic
      groups, responsible for the colloidal stabilization, partly
      have different properties (like their pKa) compared to free
      standing carboxylic acids. These findings are crucial for the
      colloidal stabilization of nanoparticles as well as for their
      further functionalization. Secondly, two species of
      fluorescently labeled nanoparticles, which differed in first
      order only in the net surface charge, are employed to study
      charge dependent interaction of nanoparticles with biological
      systems, including proteins as well as living cells. The main
      finding is, that a so called protein corona forms around
      nanoparticles, what has far-reaching impacts on cell
      internalization abilities. Moreover it is found that
      positively charged nanoparticles show a higher cell
      association as well as a higher toxicity. Thirdly,
      nanoparticles are modified towards sensing applications by
      surface functionalization with ion sensitive dyes. Positively
      charged nanoparticles are modified with a Cl- sensitive dye
      and negatively charged nanoparticles are modified with a Zn2+
      sensitive dye. The goals of the dissertation can be
      synoptically depicted as: 1) Extension of the existing
      techniques for nanoparticle functionalization, particularly
      regarding new types of functional polymers. 2) A fundamental
      and comprehensive characterization of nanoparticles ranging
      from the verification of intrinsic, physico-chemical
      properties to biomedical applications.