Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3374
Main Title: Synthese und Funktionalisierung von Silikananopartikeln und deren Wechselwirkung mit Polymeren und menschlichen Zellen
Translated Title: Synthesis and functionalization of silica nanoparticles and their interaction with polymer and human cells
Author(s): Joksimovic, Rastko
Advisor(s): Gradzielski, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von Silikananopartikeln, deren Funktionalisierung mit Aminogruppen, der Wechselwirkung mit den Polymeren Polyethylenglykol und Polyacrylsäure sowie ihrer toxischen Wirkung und der endozytischen Aufnahme in Makrophagen. Wir haben Silikananopartikel mit drei verschiedenen Synthesemethoden hergestellt und die Ergebnisse bezüglich der Sphärizität und der Monodispersität der erhaltenen Partikel verglichen: die Synthese mit Tetrapropylammoniumhydroxid, die übliche Stöbermethode mit Ammoniak und die Synthese mit Lysin Monohydrat in Wasser. Es wurde festgestellt, dass die Lysin-Methode deutlich leistungsfähiger als die zwei anderen ist. Die Nanopartikel wurden mit Propylamin funktionalisiert, um Aminogruppen an der Partikeloberfläche zu erzeugen und damit die Ladung dieser Oberfläche systematisch konrollieren zu können. Diese aminierten Silikapartikel konnten dann mit Silbernanopartikeln an der Oberfläche modifiziert werden, wobei kein zusätzliches Reduktionsmittel verwendet werden musste. Mit dieser Methodik können somit Hybridnanopartikel erzeugt werden, die von Interesse z. B. für katalytische Anwendungen sein können. Generell wurden somit Silikananopartikel mit variabler Größe und Oberflächenbeschaffenheit erzeugt, die dann als Ausgangsmaterial für die Modifikation mit Polymeren und Untersuchungen der Nanotoxizität dienen. Die Adsorption von Polyethylenglykol an den unmodifizierten Nanopartikeln wurde mithilfe von Kleinwinkelneutronstreuung untersucht, besonders mit der Methode der Kontrastvariation. Es war möglich die adsorbierte Menge aus den Streukurven zu bestimmen. Der Effekt der Kettenlänge wurde auch untersucht. Je länger die Polymerkette ist, desto mehr Masse des Polymers wird adsorbiert. Die Wechselwirkung zwischen den aminierten Silikapartikeln und teilweise deprotonierter Polyacrylsäure wurde auch untersucht. Eine Ladungsumkehr nach Zugabe vom anionischen Polymer wurde durch die Zetapotentialmessungen bestätigt. Mit der Kleinwinkelröntgenstreuung konnte der effektive Strukturfaktor erhalten, damit der zweite Virialkoeffizient berechnet und somit quantitative Information über die Wechselwirkungen erhalten werden. Schließlich wurden Toxizitäts-Assays mit THP-1 Makrophagen gemacht. Es wurden auch Versuche mit fluoreszierenden Silikananopartikeln durchgeführt. Die Partikel wurden aminiert und mit Farbstoff markiert. Die Zellen wurden am Konfokalmikrospkop nach verschiedenen Behandlungszeiten beobachtet. Die Messungen haben gezeigt, dass die Partikel gerne in die Zellen aufgenommen werden, ohne aber in die Kerne einzudringen. Dies wurde durch eine Co-Färbung der Kerne bestätigt. Somit konnte Information über die Toxizität und den Bezug zum Einbaumechanismus erhalten werden.
The submitted work deals with the synthesis of silica nanoparticles, their functionalization with amine groups, the interaction with the polymers polyethylene oxide and polyacrylic acid, as well as with their toxic activity and the endocytic uptake into macrophages. We have synthesized silica nanoparticles according to three different methods and compared the results in regard of the sphericity und the monodispersity of the synthesized paricles. The three methods were: the synthesis with tetrapropylammonium hydroxide, the common Stöber method with ammonia, and the synthesis with lysine monohydrate in water. It was observed that the lysine method fulfills the criteria of sphericity and monodispersity way better than the two other ones. The particles were functionalized with propylamine in order to obtain amine groups at the particle surface and to be able to control systematically thesurface charge. The aminated surface could then be modified with silber nanoparticles without the use of a specific reducing agent. With this method, it is possible to produce hybrid nanoparticles that can be interesting for applications in catalysis. In general, we prepared silica nanoparticles with different sizes and surface properties that can serve as substrates for the modification with polymers and the study of the nanotoxicity. The adsorption of polyethylene oxide on the bare nanoparticles was studied with small angle neutron scattering (SANS), especially with the contrast variation method. It was possible to determine the amount of adorbed polymer from the scattering curves. The effect of the chain length was also investigated. The longer the chain, the more mass of polymer gets adsorbed. The interaction between the aminated silica particles and partially deprotonated polyacrylic acid was also studied. A charge reversal after addition of the anionic polymer was confirmed by zeta potential measurements. With small X-ray scattering (SAXS), it was possible to extract the effective structure factor and to calculate the second virial coefficient, leading to a quatification of the interaction between the particles. Finally, toxicity assays were performed on THP-1 macrophages. We also carried out experiments with fluorescent silica nanoparticles. The particles were aminated and labeled with a dye. The cells were observed with a confocal microscope after different exposure times. The measurements evidenced that the particles are readily internalized into the cells. However, they do not penetrate into the nuclei. This was confirmed by a co-labeling of the nuclei. In this manner, we could obtain information about the toxicity and relate it to the uptake mechanism.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37099
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3671
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3374
Exam Date: 1-Oct-2012
Issue Date: 17-Oct-2012
Date Available: 17-Oct-2012
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Oberflächenmodifizierung
Polymere
Silikananopartikel
Wechselwirkung
Zytotoxizität
Cytotoxicity
Interaction
Polymers
Silica nanoparticles
Surface modification
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