title: Sibernanopartikel - Von der Synthese bis zur biologischen Anwendung
title: Silver nanoparticles - From the synthesis to the biological application
Creators: name: Pfeiffer, Christian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Nanopartikel
Silber
silver , nanoparticles
toxicity
Stabilisierung
Physik
application
Synthese , Toxizität
synthesis

description: Das Hauptaugenmerk dieser
      Doktorarbeit lag auf der Synthese und Charakterisierung von
      definierten Silbernanopartikeln (Ag NPs). Die Partikel wurden
      in zwei unterschiedlichen Größen und veränderter
      Oberflächenchemie hergestellt. Erstens sehr kleine (~2 nm
      Kerndurchmesser) mit hydrophilen Liganden auf der Oberfläche
      und zweitens größere (~4,2 nm Kerndurchmesser), bei denen
      verschiedene Beschichtungen untersucht wurden. Zusätzlich
      wurde das Potential der Partikel auf die Anwendung in
      biologischen Systemen untersucht. Hierzu mussten die Partikel
      in wässrigen Medien stabil sein. Um dies zu gewährleisten,
      wurde die Stabilität in Natriumchloridlösungen gemessen. Ein
      weiterer wichtiger Punkt, besonders für Silbernanopartikel,
      ist die Zytotoxizität der unterschiedlichen Partikel. Die
      Zytotoxizität der Silbernanopartikel ist von besonderer
      Bedeutung aufgrund der zu beobachteten antimikrobiellen
      Wirkung. Hierzu wurde die Toxizität in zwei unterschiedlichen
      Zelllinien untersucht. Die sehr kleinen Partikel (~2 nm),
      sogenannte Nanocluster (NCs), wurden in zwei Stufen
      hergestellt. Nach der Reduktion des Silberprecursors wurde
      zunächst ein Ätzschritt und im Anschluss daran eine
      Ligandenaustauschreaktion durchgeführt. Dieser Austausch
      ermöglichte den Partikeln auch die Stabilität in wässrigen
      Medien. Während der gesamten Synthese änderten sich sowohl
      Größe als auch Größenverteilung der Partikel. Zu Beginn
      herrschte eine breite Größenverteilung und es lagen Größen
      bis zu ca. 30 nm vor. Nach dem Ätzen war die Verteilung
      bereits erheblich enger und auch die Größen waren auf
      ungefähr 5 nm geschrumpft. Die schlussendliche Kerngröße von
      beinahe 2 nm mit einer sehr engen Verteilung wurde nach der
      Austauschreaktion erreicht, wonach die Cluster in einer
      wässrigen Suspension vorlagen. Ein großer Vorteil dieser
      Cluster war ihre rote Fluoreszenz, wodurch sie für die
      Betrachtung in vitro nicht mit einem zusätzlichen Farbstoff
      versehen werden mussten. Die zweite Art der Partikel wies
      eine Kerngröße von ca. 4,2 nm auf und wurde durch eine
      einfache chemische Reduktion hergestellt. Allerdings musste
      hierfür zunächst ein Vorläufer des eigentlichen Liganden
      hergestellt werden. Nach der Synthese lagen die Partikel als
      graues Pulver vor und besaßen eine hydrophobe Oberfläche. Um
      diese nun in die wässrige Phase zu überführen, wurden zwei
      unterschiedliche Wege untersucht. Einerseits wurde eine
      Ligandenaustauschreaktion mit einem hydrophilen Liganden und
      andererseits das Beschichten der Partikel mit einem
      amphiphilen Polymer durchgeführt. Ein Vorteil der
      Beschichtung der Partikel ist die einfache, zusätzliche
      Veränderung der Oberfläche. Hierzu wurden die Oberflächen mit
      einem Farbstoff und/oder Polyethylenglycol (PEG) versehen.
      Ein weiterer Vorteil ist, dass die Toxizität der Partikel
      hierdurch erheblich reduziert wurde. Diese geringere
      Toxizität basiert einerseits auf der gestiegenen Stabilität
      der Partikel und andererseits auf der geringeren Aufnahme
      durch die Zellen für den Fall einer vollständigen Bedeckung
      der Partikeloberfläche mit PEG. Ein Anstieg der Stabilität
      gegenüber Natriumchlorid wurde zudem auch für kommerzielle
      Goldnanopartikel gefunden, insofern diese der gleichen
      Behandlung wie die Silbernanopartikel unterzogen wurden. Da
      diese kommerziellen Goldpartikel allerdings mit Zitrat
      stabilisiert wurden, mussten diese zunächst in die organische
      Phase überführt werden, um die gleiche Oberfläche wie
      Silberpartikel aufzuweisen. Nichtsdestoweniger zeigten die
      Silbernanopartikel einen zytotoxischen Effekt, was auf die
      Freisetzung von Silber(I)ionen zurückzuführen ist. Die
      Freisetzung wurde bei zwei unterschiedlichen pH Werten
      untersucht. Bei einem neutralen pH Wert zeigten weder die mit
      hydrophilen Liganden stabilisierten Partikel noch die mit
      Polymer umwickelten Partikel eine Freisetzung von mehr als
      0,1% nach 14 Tagen. Unter sauren Bedingungen hingegen (pH 3)
      zeigten alle Partikel eine Freisetzung von rund 1% nach nur 7
      Tagen. In Relation der Gesamtmenge an Silber mit einem
      Silbersalz war die Konzentration an Silberionen aus den
      Partikeln recht gering. Allerdings zeigten diese eine erhöhte
      Toxizität aufgrund ihrer besseren Aufnahme bzw. der
      Freisetzung im Inneren der Zellen. Abschließend lässt sich
      sagen, dass die definierte Synthese und Modifikation von
      verschiedenen Silbernanopartikeln durchgeführt werden konnte
      und obwohl diese eine erheblich gesteigerte Stabilität
      aufweisen, haben sie niemals ihre zytotoxischen Eigenschaften
      verloren.
description: The main topic of this doctoral
      thesis was the synthesis and characterization of defined
      silver nanoparticles (Ag NPs). These particles were
      synthesized with different sizes and modified surface
      chemistry. Two core sizes were synthesized. One, very small
      particle (~2 nm core) with hydrophilic ligands at the surface
      and second, bigger particles (~4.2 nm core) with different
      kinds of coatings were prepared. Additionally, the potential
      of these particles were tested for their use in biological
      systems. For this, they had to be stable in aqueous media. To
      assess this, their stability against different salt
      concentration was measured. Another important point,
      especially for silver nanoparticles, was its cytotoxicity.
      The cytotoxicity of the silver particles is a very important
      research topic due to the antimicrobial effect observed in
      silver NPs. Here, the toxicity of the different particles was
      measured in two different cell lines. The very small
      particles (~2 nm), so called nanoclusters (NCs), were
      prepared in two steps. After the reduction of the silver
      precursor first an etching step and afterwards a ligand
      exchange reaction were done. This ligand exchange also
      allowed the particles to be stable in aqueous media. During
      the whole synthesis the size and the distribution of the
      particles changed. At the beginning the particles showed a
      broad distribution and sizes up to almost 30 nm. After the
      etching the distribution decreased a lot and the sizes shrunk
      to 5 nm. The final core size of about 2 nm with a narrow
      distribution was reached after the ligand exchange being the
      particles stable in an aqueous suspension. A big advantage of
      these nanoclusters was that they showed fluorescence in the
      red and did not need to be labeled with an additional dye for
      in vitro experiments. The second type of particles showed a
      core size of around 4.2 nm and was synthesized in a simple
      reduction reaction. For this reaction first a precursor of
      the stabilizing ligand had to be synthesized. After the
      synthesis the particles were stable as a gray powder and
      showed a hydrophobic surface. To get the particles into
      aqueous phase two different methods were used. First a ligand
      exchange reaction with a hydrophilic ligand and second the
      coating of the particles with an amphiphilic polymer. One
      advantage of the coating process was the easy modification of
      the surface afterwards. This was shown by the modification of
      the particles with a dye and/or polyethylene glycol (PEG)
      chains. A further advantage was that the toxicity of the
      particles was highly reduced by this process. This reduced
      toxicity was on one hand due to the increased stability of
      the particles and on the other hand due to the reduced uptake
      of the particles when their surface was saturated with PEG.
      An increase of the stability against sodium chloride could
      also been shown for commercial gold particles using the same
      coating process. The commercial gold nanoparticles were
      stabilized by citrate molecules at the beginning and so first
      a ligand exchange including a phase transfer to the organic
      phase had to be done to reach the same surface like the
      silver nanoparticles. Nevertheless, the Ag NPs showed a
      cytotoxic effect, which was due to the release of Ag(I) ions.
      This release was measured under different pH conditions.
      Under neutral pH values neither the Ag NPs stabilized by
      hydrophilic ligand molecules nor the once stabilized by the
      polymer coating showed a release of more than 0.1% of ions up
      to 14 days. Under acidic conditions (pH 3) all the particles
      showed a release of about 1% of ions already after 7 days. In
      comparison of the total amount of silver with a silver salt
      the concentration of silver ions from the particles are low
      but they are “more toxic” because of the better uptake
      respectively their release inside the cell. To summarize it
      can be said that a defined synthesis and modification of
      different Ag NPs could be done but although they showed a
      very high stability they never lost their
      cytotoxicity.