title: Designed synthesis of bioconjugates based on hybrid mesoporous silica nanoparticles
Creators: name: Von Baeckmann, Cornelia
Publisher: name: :none
Year: 2021

description: Mesoporöse Silikananopartikel (MSNs) haben kürzlich große Aufmerksamkeit als vielversprechende Nanoträger für Biomedizinische Anwendungen auf sich gezogen. Für ihre adäquate Verwendung braucht es jedoch noch weitere Entwicklung von Biokonjugaten, wie hier beschrieben. Im ersten Kapitel der Doktorarbeit wird der Einfluss von unterschiedlichen Funktionalisierungsmethoden auf die Materialeigenschaften untersucht. Die Wichtigkeit und Genauigkeit der richtigen Reihenfolge, um biomedizinisch relevante Funktionen in das Material einzubringen (Polyethylen Glykol, Magnet Resonanz Kontrastmittel, Medikamente, Farbstoff), wird beschrieben. Die Reihenfolge der schrittweisen Funktionalisierung und die individuelle Methode für die Produktion von multi-funktionalen und stabilen Bioplattformen waren entscheidend bezüglich der finalen Materialeigenschaften. Im zweiten Kapitel wird die Funktionalisierung mit Polyethylenglykol mit speziellem Fokus auf die verbleibenden Poreneigenschaften, die Kupplungseffizienz und das Protein Adsorptionsverhalten diskutiert. Die Bedeutung der Wahl der Kupplungsstrategie für die Funktionalisierung von MSNs wird hervorgehoben. Nachdem Proteine das biologische Schicksal von Nanopartikeln maßgeblich bestimmen, wurden Studien zur Proteinadsorption und Desorption durchgeführt. Irreversible Proteinadsorption wurde beobachtet und überraschenderweise trat sogar kovalente Bindung von Proteinen im Falle einer Epoxid-Funktionalität auf. Im dritten Kapitel wurden spezifische Biokonjugate durch die Anknüpfung von zwei Biomakromolekülen realisiert (z.B. 1. Peptide, auch bekannt als gezielte Liganden oder als selbstanordnende Einheiten, und 2. Inulin, bekannt für seine spezifische Interaktion mit Bakterien). Im ersten Fall wurden die Kupplungsstrategien mittels einer einfachen Aminosäure optimiert, dann auf zwei unterschiedliche Proteine und vier verschiede Partikelarten übertragen. Die Selbstanordnung der Peptide konjugierten MSNs wurde untersucht und die Formation von makroskopischen ringförmigen Superstrukturen festgestellt. Zusätzlich wurde die Kupplungschemie, um das Kohlehydrat Inulin an MSNs zu binden, unter Verwendung unterschiedlicher Kopplungsbedingungen entwickelt. Diese wurden in Bezug auf eine potenzielle Interaktion mit Darmbakterien untersucht und eine signifikante Anziehung konnte beobachtet werden. Im letzten Kapitel, wurden einige der vorangehend untersuchten Konzepte auf neuartige Partikel mit hohlem Kern umgesetzt. Aminogruppen wurden an spezifischen Orten der Nanopartikel installiert und die Ortsspezifität als Basenkatalysator in einer Knoevenagel Reaktion getestet. Diese Doktorarbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung von einer Varietät von Biokonjugaten und multi-funktionalen Hybridsilikananopartikel mit Bezug auf ihre potentiellen biomedizinische Anwendungen, sowie die Grundlagen von Adsorption, Transport und Reaktivität in den Nanoporen dieser Partikel.
description: Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) have recently drawn much attention as very promising nanocarriers for biomedical applications. However, there is still great need for further development of bioconjugates of such nanoparticles for different applications, as described herein. In the first chapter, the influence of different functionalization methods on the materials properties is investigated. Most importantly, the order for introducing biomedically relevant moieties (polyethylene glycol, magnetic resonance imaging contrast agent, drug, organic dye) are presented. The sequence of the stepwise functionalization and the individual method for the production of multipurpose and stable bio-platforms were revealed to be crucial regarding the final material properties. In the second chapter, the functionalization with polyethylene glycol is discussed with particular focus on the remaining porosity, grafting efficiency, and serum protein adsorption behavior. The importance of the choice of coupling method for the surface functionalization of silica nanoparticles is emphasized. Since proteins govern the biological fate of nanoparticles, protein adsorption and desorption studies were performed. Irreversible protein adsorption was witnessed and even covalent attachment of the proteins in case of an epoxy functionality could be observed. In the third chapter, bioconjugates were realized by the attachment of two different types of biomacromolecules (i.e., 1. peptides, known to act as targeting ligands and self-organizing units, and 2. inulin, known for its specific interactions with bacteria). First, the coupling conditions were optimized using a single amino acid and transferred to two different peptides and four different types of nanoparticles. Self-organization of these peptide-conjugated MSNs was monitored, and ring-like superstructures could be observed. Furthermore, the carbohydrate inulin was covalently attached using different coupling conditions. These bioconjugates were furthermore tested using gut bacteria and a significant attraction between bacteria and inulin-modified MSNs could be observed. In the last chapter, some of the studied concepts of the previous chapters were transferred to novel hollow core-shell particles. Amino groups were introduced at specific locations of the nanoparticles and the site specificity was tested as base catalyst in an Knoevenagel reaction. In summary, the thesis covers the synthesis and characterization of a variety of bioconjugates and multi-functionalized hybrid silica nanoparticles in relation to their potential biomedical applications, as well as to the fundamentals of adsorption, transport and reactivity in their nanopores.