title: Gold-Nanopartikel: Synthese, Oberflächenmodifizierung und Funktionalisierung für biomedizinische Anwendungen
title: Gold Nanoparticles: Synthesis, Surface Modification and Functionalization for Biomedical Applications
Creators: name: Soliman, Mahmoud
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Biokompatibilität
polymer coating, colloidal stability
biocompatibility
gold nanoparticles
PEGylierung, Phasentransfer
phase transfer
kolloidale Stabilität, Toxizität
Polymerbeschichtung
PEGylation
toxicity
Physics
Physik
Gold-Nanopartikel

description: 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 synthesis, the surface
      modification and the characterization of gold NPs (GNPs). The
      NPs were prepared with different sizes (up to 100 nm) and
      shapes (spherical and rods). The employed NPs were prepared
      originally in aqueous medium, stabilized by citric ions in
      case of spherical GNPs (SGNPs) and by
      hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) in case of gold
      nanorods (GNRs). These ligand molecules are weakly bound to
      the NPs surface and thus, they are unsuitable for biomedical
      applications. Stabilizing of these NPs was the target of this
      work and then, it was achieved by exchange these ligands by
      other molecules with higher affinity and finally wrapping the
      NPs with an amphiphilic polymer (poly(isobutylene-alt-maleic
      anhydride) dodecylamine grafted, (PMA)). The polymer coating
      technique has been used over the past years for coating of
      NPs, which are synthesized originally, and only dispersible
      in organic media. The NPs obtained using this methodology are
      highly stable in physiological media. Aiming to use this
      technique in water-soluble NPs, a new round-trip process was
      developed using a phase transfer step before the polymer
      coating. The NPs were stabilized with
      α-metoxi-ω-thiol-poly-(ethyleneglycol)- (PEG) chains (mPEG-SH
      (Mw= 750 Da)) and then transferred from water to chloroform
      using dodecylamine (DDA). The DDA-capped NPs were coated with
      a modified amphiphilic polymer due to the hydrophobic
      interaction between the hydrophobic ligands (carbon chains)
      on the surface of the NPs and the hydrophobic side chains of
      the used polymer. The resulted polymer coated NPs were
      cleaned and characterized using different techniques, such as
      agarose gel electrophoresis, UV-Vis spectroscopy, dynamic
      light scattering (DLS), laser Doppler anemometry (LDA) and
      transmission electron microscopy (TEM). Furthermore, the
      surface of the polymer-coated NPs was modified using
      different molecular weight of PEG to provide them with higher
      colloidal stability and prevent the formation of the
      so-called protein corona. The colloidal stability of all
      particles was assayed against different biological media via
      UV-Vis spectroscopy and DLS. The toxicity of these NPs was
      tested in cancer and non-cancer cells lines showing
      no-toxicity up to 1 mg/mL concentration levels. Additionally,
      the effect of NPs size, shape, and surface coating on their
      interaction with plasma proteins and blood cells was
      studied.
description: 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.