Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6564
Main Title: Characterization of nanoparticles by continuous contrast variation in small-angle X-ray scattering
Translated Title: Charakterisierung von Nanopartikeln durch kontinuierliche Kontrastvariation bei Kleinwinkel-Röntgenstreuung
Author(s): Garcia Diez, Raul
Referee(s): Eisebitt, Stefan
Richter, Mathias
Raoux, Simone
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In the continuously growing field of nanomedicine, nanoparticles have a pre-eminent position. The particle morphology is a defining aspect of their functionality, yet most current characterization techniques possess certain limitations. This work proposes a novel approach to contrast variation in small-angle X-ray scattering based on the constitution of a solvent density gradient in a glass capillary in order to choose in situ the most appropriate contrast and to acquire extensive datasets in a short time interval. By examining the scattering curves measured at different aqueous sucrose concentrations, information about the internal structure of the nanoparticles as well as their size distribution is obtained. Additionally, the particle density can be estimated from the Guinier region of the scattering curve, as is shown for polymeric colloids across a wide spectrum of polymers. These results are successfully compared with imaging methods and other techniques such as Differential Centrifugal Sedimentation. The continuous contrast variation technique is also employed to characterize the nanodrug Caelyx, a PEGylated liposomal formulation of doxorubicin, using iodixanol as contrast agent, an iso-osmolar suspending medium. The mean size of the nanocarrier is obtained by a model-free analysis of the scattering curves based on the position of the so-called isoscattering point, while the traceable determination of the particle size highlights the advantages in comparison to widespread characterization techniques as Dynamic Light Scattering and Transmission Electron Microscopy. Furthermore, the response of the nanocarrier to increasing solvent osmolality is evaluated with sucrose contrast variation and compared to the different response of PEGylated and plain liposomes to osmotic pressure depending on their size. Therefore, the osmotic pressure necessary for the liposomal shrinkage is quantitatively studied and the morphological changes induced by this deformation are thoroughly examined. The capabilities of the continuous contrast variation method as a sizing technique are further investigated on relevant bio-materials like human lipoproteins or polymeric nanocarriers coated with antibodies. In addition, this technique is employed to determine the density of the lipoproteins, one of the most characteristic traits of these blood plasma components.
Im kontinuierlich wachsenden Bereich der Nanomedizin haben Nanopartikel eine herausragende Stellung. Die funktionalen Eigenschaften der Nanopartikeln werden durch ihre Morphologie beeinflusst, jedoch haben die meisten gegenwärtigen Charakterisierungstechniken gewisse Einschränkungen. Die vorliegende Arbeit schlägt einen neuartigen Ansatz zur Kontrastvariation in Röntgen-Kleinwinkel-Streuung (Small-Angle X-ray Scattering, SAXS) auf der Grundlage des Aufbaus eines Lösungsmitteldichtegradienten in einer Glaskapillare vor, um in situ den geeignetsten Kontrast zu wählen und umfangreiche Datensätze innerhalb eines kurzen Zeitraums zu sammeln. Informationen über die innere Struktur von Nanopartikeln sowie deren Größenverteilung können durch Untersuchung der Streukurven, die bei verschiedenen Konzentrationen von Zucker in Wasser gemessen werden, erhalten werden. Zusätzlich kann die Teilchendichte bestimmt werden, indem der Guinier-Bereich der Streukurven analysiert wird, was für polymere Nanopartikel über ein breites Spektrum von Teilchendichten gezeigt wird. Diese Ergebnisse wurden erfolgreich mit mikroskopischen und anderen Techniken wie Sedimentation in einem Dichtegradient (Differential Centrifugal Sedimentation, DCS) verglichen. Die Technik der kontinuierlichen Kontrastvariation wurde mit dem iso-osmolaren Kontrastmittel Iodixanol auch an dem Nano-Arzneimittel Caelyx durchgeführt, einer PEGylierten liposomalen Zubereitung des Medikaments Doxorubicin. Die mittlere Größe des Nanocarriers wird durch eine modellfreie Analyse der Streukurven basierend auf der Position der sogenannten Isoscattering-Punkte erhalten, während die rückführbare Bestimmung der Partikelgrößen die Vorteile im Vergleich zu weit verbreiteten Charakterisierungstechniken wie dynamischer Lichtstreuung (Dynamic Light Scattering, DLS) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) unterstreicht. Zusätzlich wird die Reaktion des Nanocarriers auf eine zunehmende Lösungsmittel-Osmolalität mittels Zucker-Konzentrationsvariation untersucht und die unterschiedlichen Reaktionen von PEGylierten und einfachen Liposomen auf den osmotischen Druck in Abhängigkeit ihrer Größe verglichen. Dafür wird der für die liposomale Schrumpfung benötigte osmotische Druck quantitativ analysiert und die durch diese Deformation induzierten morphologischen Veränderungen sorgfältig untersucht. Die Möglichkeiten der kontinuierlichen Kontrastvariationmethode als Technik zur Größenbestimmung werden weiter anhand von relevanten Biomaterialien untersucht, wie menschlichen Lipoproteinen oder polymeren Nanocarriern, die mit Antikörpern beschichtet sind. Außerdem wird diese Technik verwendet, um die Dichte von Lipoproteinen zu bestimmen, eine der Haupteigenschaften dieser Blutplasmakomponenten.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7291
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6564
Exam Date: 24-May-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 19-Dec-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): SAXS
nanoparticle
synchrotron
liposome
X-ray scattering
Kleinwinkelröntgenstreuung
Nanopartikel
Liposom
Röntgenstreuung
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