title: Optimization of the production process of PET nanoparticles as well-defined test materials for in-vitro and in-vivo testing
Creators: name: Ahčić, Lejla
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Die Umweltverschmutzung durch Plastik hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem wachsenden Problem entwickelt. Aufgrund ihrer hohen Stabilität und Persistenz haben Mikro- und Nanoplastik (MNPs) eine langsame Abbaurate und verbleiben mehrere Jahrzehnte in der Umwelt. Die Auswirkungen dieser MNPs auf das Ökosystem und die Gesundheit sind noch nicht vollständig erforscht, da ein erheblicher Mangel an verfügbaren Referenzmaterialien besteht. Daher ist die Entwicklung eines standardisierten Herstellungsverfahrens und eine umfassende Charakterisierung von Modellpartikeln aus Nanoplastik (NPs) erforderlich. In der folgenden Arbeit wurde die Technik der nichtlösungsmittelinduzierten Phasentrennung (NIPS) zur Herstellung von Polyethylenterephthalat (PET) Nanopartikeln eingesetzt, da PET zu den weltweit meistverwendeten Polymeren in viele verschiedenen Anwendungsbereichen zählt. Ethanol (EtOH, 96%, v/v) wurde als Nichtlösungsmittel verwendet, während Benzylalkohol als Lösungsmittel diente. Die folgenden kritischen Parameter wurden identifiziert, die möglicherweise einen Einfluss auf die Partikelgrößenverteilung (PSD) der Modell-Nanopartikel haben: i) Rührzeit, ii) Filtrationszeit, iii) Zentrifugationszeit und iv) Zentrifugationsgeschwindigkeit. Die Optimierung dieser Parameter wurde dementsprechend untersucht. Für die Bestimmung der PSD wurde die Laser- Diffraktion (LD) eingesetzt. Nach der Optimierung wurde die Reproduzierbarkeit getestet, indem fünf aufeinanderfolgende Chargen mit dem optimierten Protokoll hergestellt wurden. Die Reproduzierbarkeit wurde durch die Mittelwerte der Perzentile (D10, D50 und D90), deren relativen Standardabweichungen (RSD), der Ausbeute (%) und dem Gleichmäßigkeitsfaktor bewertet. Das Ziel dieser Arbeit war es, Modell PET Nanopartikel, bei denen 85% der hergestellten Partikel kleiner als 1 μm sind, herzustellen. Weiters, wurden hinsichtlich der Reproduzierbarkeit RSDs von bis zu 15 % für D10, D50 und D90 toleriert. Die Herstellung von PET NPs in EtOH (D10: 0,076 μm ± 0,0035 μm, D50: 0,172 μm ± 0,0056 μm, D90: 0,655 μm ± 0,3444 μm) und Glycerol (D10: 0,075 μm ± 0,0062 μm, D50: 0,172 μm ± 0,015 μm, D90: 0,462 μm ± 0,057 μm) führte zu einer engen PSD und erreichte das Gesamtziel für alle Perzentile (n=5, Mittelwert ± Standardabweichung). Die RSDs (EtOH/Glycerol) von D10 (4,61%/8,30%) und D50 (3,27%/8,80%) konnten verbessert werden und erfüllten das gesetzte Kriterium. Die RSD von D90 in Glycerol erreichte ebenfalls das gesetzte Ziel (12,40%), während der Wert für Ethanol zu hoch war (52,57%). Mögliche Erklärungen sind die Bildung von Aggregaten und die Kontamination mit Staub während der Herstellung und Charakterisierung. Daher muss die Reproduzierbarkeit verbessert und in zukünftigen Studien weiter untersucht werden.
description: Plastic pollution has emerged as a growing problem in the past few decades. Due to its high stability and persistency, micro- and nanoplastics (MNPs) have a slow degradation rate and remain in the environment for several decades. The impact of these MNPs on the biosphere and health is not yet fully understood, due to a substantial lack of available reference materials. Subsequently, the development of a standardized production method and comprehensive characterization of model nanoplastics (NPs) particles is required. In the following thesis, the non-solvent induced phase separation (NIPS) technique was employed to produce polyethylene terephthalate (PET) nanoparticles, since PET belongs to the most used polymers for many different applications worldwide. Ethanol (EtOH, 96%, v/v) was used as a non-solvent, whereas benzyl alcohol acted as a solvent. The following critical parameters were identified, which could potentially alter the particle size distribution (PSD) of the model NPs: i) stirring time, ii) filtration time, iii) centrifugation time, and iv) centrifugation speed. Optimization of NIPS by modifying these parameters was then investigated. Laser diffraction (LD) was employed for the determination of the PSD. After optimization, the batch-to-batch reproducibility was tested by manufacturing five consecutive batches with the final protocol. Mean values of the percentiles D10, D50, and D90 were assessed alongside the relative standard deviation (RSD), yield (%), fraction &lt; 1 μm (%), and uniformity. The thesis focused on producing model PET NPs where 85 % of the particles produced are smaller than 1 μm. Regarding reproducibility, RSDs of up to 15% were tolerated for D10, D50, and D90. The production of PET NPs in EtOH (D10: 0.076 μm ± 0.0035 μm, D50: 0.172 μm ± 0.0056 μm, D90: 0.655 μm ± 0.3444 μm) and glycerol (D10: 0.075 μm ± 0.0062 μm, D50: 0.172 μm ± 0.015 μm, D90: 0.462 μm ± 0.057 μm) led to a narrow PSD and achieved the overall goal for all percentiles (n=5, mean ± SD). While the RSDs (EtOH/glycerol) of D10 (4.61%/8.30%) and D50 (3.27%/8.80%) could be improved and met the set criterion, the RSDs of the D90 (52.57%/12.40%) were too high. Possible explanations are the formation of aggregates and contamination with dust during the production and characterization. Therefore, reproducibility needs to be improved and should be further investigated in future studies.