title: Nanopartikel: Synthese, Oberflächenmodifikation und Funktionalität für umweltbezogene und biologische Anwendungen
title: Nanoparticles: Synthesis, Surface Modification and Functionalization for Biological and Environmental Applications
Creators: name: Abdelmonem, Abuelmagd M.
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Modifikation
Nanoparticle
Oberfläche
Nanopartikel
Surface Modification
Physik

description: In addition to the type or nature
      of the nanoparticles (NPs) core, the surface of the obtained
      nanoparticles plays a crucial role and has great impact on
      the physicochemical properties of the nanoparticles which
      reflect in turn on the nanomaterials interactions (with the
      surrounding medium, biological systems and environment),
      functionalities and their possible applications. The general
      focus of this doctoral dissertation has been paid to the
      synthesis, controlled surface modification,
      functionalization, purification and characterization of
      different types of (plasmonic, semiconductor and magnetic)
      nanoparticles providing water soluble and highly colloidally
      stable nanoparticles proper for environmental and biological
      applications. Most of the as synthesized nanoparticles are
      inorganic particles (e.g. 5 nm Au NPs, 12 nm magnetic iron
      oxide NPs, 3 nm iron platinum NPs, 8 nm cobalt platinum NPs,
      CdSe/ZnS core/shell QDs of different sizes from 3-5 nm to 7
      nm ZnO QDs) stabilized by hydrophobic organic molecules known
      as the surfactant or ligand which play an important role to
      control the shape and growth of the during the nanoparticles
      synthesis in addition to its role as stabilizing agents
      preventing the nanoparticles to be agglomerated. In case of
      water insoluble (hydrophobically capped) nanoparticles (not
      suitable for the biological applications), they were
      transformed from organic phase to aqueous environment using a
      very general protocol known as amphiphilic polymer coating
      which is based on the hydrophobic interaction between the
      hydrophobic ligands on the surface of the nanoparticles and
      the hydrophobic side chains of the used polymer. The polymer
      coating of originally organic-solvent soluble nanoparticles
      converts them to water soluble ones (thanks to the free
      carboxylate groups on surface) which have the ability to be
      further functionalized with extra functional and/or
      biologically active molecules of interest. The obtained
      polymer coated nanoparticles were purified and characterized
      using different techniques, such as agarose gel
      electrophoresis, size exclusion chromatography, UV-Vis
      spectroscopy, fluorescence spectroscopy (in case of
      fluorescent materials), transmission electron microscopy
      (TEM) and dynamic light scattering (DLS). Monodisperse
      different types of polymer coated nanoparticles were obtained
      with a high quality and colloidal stability as inferred from
      their physicochemical properties such as narrow hydrodynamic
      diameter distribution and the negative surface charges
      expressed as zeta potential. Furthermore, the surface of some
      water soluble polymer coated nanoparticles was modified with
      different functionalities such as some fluorophores (e.g.
      Dy-495, DY-647 and rhodamine), polyethylene glycol, folic
      acid and methotrexate to obtain multifunctional nanoparticles
      that could be useful for a wide range of biological
      applications such as tracking, labeling and multimodal
      imaging and targeting drug delivery.
description: Neben der Beschaffenheit des
      Kernmaterials von Nanopartikeln (NP) spielt ihre Oberfläche
      eine wichtige Rolle, da durch diese die
      physikalisch-chemischen Eigenschaften des Nanopartikels
      maßgeblich beeinflusst werden, was insbesondere die
      Wechselwirkung mit umgebenden Medien, biologischen Systemen
      oder der Umgebung beeinflusst, über die Art von möglichen
      Oberflächenmodifikationen entscheidet und letztendlich damit
      die Anwendungsbereiche der Nanopartikel definiert. Das
      Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf der Synthese,
      der kontrollierten Oberflächenmodifikation, der
      Funktionalisierung, der Aufreinigung und schließlich der
      Charakterisierung von unterschiedlichen Arten von
      Nanopartikeln (plasmonische, magnetische und
      Halbleiternanopartikel) um am Ende Kolloide in hochgradig
      stabilen wässrigen Suspensionen zu erhalten, die sich
      gleichermaßen für umweltbezogende als auch für biologische
      Anwendungen eignen. Der größte Teil der ihm Rahmen dieser
      Arbeit hergestellten Partikel wurde aus anorganischen
      Materialien hergestellt (5 nm große Au NP, 12 nm große
      magnetische NP aus Eisenoxid, 3 nm große Eisen-Platinum
      Partikel, 8 nm große Kobalt-Platinum NP, CdSe/ZnS
      Hybridpartikel unterschiedlicher Größenverteilungen von 3-5
      nm und 7 nm große Quantenpunkte aus ZnO) und durch
      hydrophobische organische Moleküle, auch Surfactant- order
      Ligandenmoleküle genannt, stabilisiert. Diese Liganden
      spielen außerdem eine wichtige Rolle um Form und Größe der
      Partikel während der Synthese zu kontrollieren und verhindern
      zusätzliche durch stabilisierende Eigenschaften, dass die NP
      agglomerieren. Wasserunlösliche (durch hydrophobische
      Liganden stabilisierte) Nanopartikel, wurden mit Hilfe
      amphiphiler Polymere, nach einem bereits etablierten
      Verfahren, von der organischen Phase in wässrige Lösung
      überführt. Dieses Verfahren ist notwendig, da insbesondere
      für die meisten bekannten biologischen Anwendungen die
      Nanomaterialien wasserlöslich sein müssen. Die Stabilisierung
      der NP in wässriger Lösung basiert dabei auf der
      Wechselwirkung hydrophober Seitenketten des amphiphilen
      Polymers, die sich an den ebenfalls hydrophoben NP anlagern,
      während das hydrophile Rückgrat des Polymers
      Wasserlöslichkeit garantiert. Dank freier Carboxylatgruppen
      eignet sich das verwendete Polymer zusätzlich um die nun
      hydrophile Oberfläche der NP weiter mit beliebigen biologisch
      aktiven Molekülen zu funktionalisieren. Die erhaltenen,
      Polymer-umhüllten NP wurden aufgereinigt und mit Hilfe
      unterschiedlicher Techniken wie Agarosegelelektrophorese,
      Größenausschluss-Chromatographie, UV-Vis Spektroskopie,
      Fluoreszenzspektroskopie (im Falle fluoreszierender
      Materialien), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und
      dynamischer Lichtstreuung (DLS) charakterisiert. Eine schmale
      Größenverteilung der hydrodynamischen Durchmesser zusammen
      mit negativer Oberflächenladung (Zeta-Potential) lassen dabei
      auf eine hohe Qualität und kolloidale Stabilität der
      synthetisierten monodispersen Nanopartikel schließen. Des
      Weiteren wurde die Oberfläche einiger wasserlöslicher,
      Polymer-umhüllter Nanopartikel entweder mit
      Fluoreszenzfarbstoffen (z.B. Dy-495, DY-647 oder Rhodamin),
      oder mit Polyethylenglycol, Folsäure oder Methotrexat
      modifiziert mit dem Ziel, multifunktionale Nanopartikel zu
      erzeugen, und dadurch ein großes Anwendungsspektrum in
      biologischen Bereichen zu ermöglichen wie Tracking, Markieren
      von bestimmten Strukturen, multimodale Bildgebung und
      gezielter Wirkstofftransport.