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Synthesis of gold nanoparticle-hydrogel nanocomposites with controlled cytotoxicity and unique cell-adhesive properties
Ren, Fang
Gold Nanopartikeln (Au NPs) spielen eine bedeutende Rolle in Chemie, Biologie, Ingenieurwesen und Medizin aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften, leichten Synthese und Flexibilitat in der (bio)chemischen Funktionalisierung. Kenntnis über ihre potentielle Toxizität ist notwendig bevor diese Nanomaterialien in realen klinischen Einstellungen angewendet werden, insbesondere wenn sie inkorporiert werden in Hydrogele als Nanokomposite Hydrogele für neue biomedizinische Anwendungen. Die Hauptziele, die in dieser Arbeit verfolgt werden, sind die Entwicklung der Synthese von Au NPs mit verschiedenen Größen, ihre Immobilisierung in Polyethylenglykol-basierte Hydrogele und die Untersuchung der zellulären Reaktionen zu diesen Nanokompositen Hydrogelen.In der vorliegenden Arbeit werden Au NPs mit verschiedenen Größen synthetisiert und charakterisiert. Die Zytotoxizität der erhaltenen Au NPs sind ausgeführt in vitro mit murinen Fibroblasten und Osteoblasten jeweils mittels Trypanblau Analyse, Lebend/Tot Färbung Analyse und MTT Analyse. Au NPs mit einer Durchmesser von 4.5 nm zeigen eine signifikante Zytotoxizität, während größere Au NPs weniger toxisch sind. Diese kleinen Au Nps sind folglich ausgewählt um neue, pH-responsive Hydrogelsysteme zu bilden, z.B. Genipin quervernetzte Chitosan-Gold Nanokomposite Hydrogele, die die toxischen Substanzen bei kleineren pH Werten freilassen. Diese neuen Nanokomposite Gele weisen höhere Schwellungsgrade bei pH 6.4 im Vergleich zu pH 7.4 auf. Es wird gezeigt, dass die 4.5 nm großen Au NPs aus den Gelen freigesetzt werden wenn sie mit humanen Hepatomzellen Hep G2 (saure Umgebung) kultiviert werden, die den Zelltod verursacht. Inzwischen können sie als Substrate verwendet werden, die die Zelladhäsion und Proliferation von murinen Fibroblasten in natürlicher Umgebung fördert.Zusätzlich zu der Inkorporation von Au NPs in Genipin-quervernetzte Chitosan-Gold Nanokomposite Hydrogele ist die Immobilisierung von Au NPs auf die Oberfläche von PEG-basierten Hydrogelen untersucht worden. Hierzu ist eine softlithographische Methode entwickelt („Nanokontakt Transfer Lithography“) um die Au NPs von Siliziumwafern auf weiche Hydrogele zu transferrieren. Eine Beziehung zwischen der Dichte der immobilisierten Au NPs auf der Oberfläche von 8PEG-VS-SH Hydrogelen ond der Zelladhesion von murinen Fibroblasten wird beobachtet.
Zusätzlich zu der zufälligen Verteilung von Au NPs auf PEG-Hydrogele, werden strukturierte Au NPs auf Hydrogele mittels weiterer softlithographischer Methode (z.B. „Mikrokontakt Rückdrucken“) erzeugt. Diese strukturierten Au NPs auf PEG-Hydroglen sind ebenfalls benutzt um Zelladhäsionen zu kontrollieren. Es wird gezeigt, dass die Strukturen die Zelladhäsion steuern indem sich die Zellen regelmäßig den strukturierten Au NPs Linien folgen.
Diese Gold Nanokomposite Hydrogele bieten eine brauchbare Plattform für die weitere Entwicklung bei der Kontrolle von zellulären Verhalten gegenüber neuen Materialien für biomedizinische und gewebetechnische Anwendungen.
Gold nanoparticles (Au NPs) play an important role in chemistry, biology, engineering and medicine due to their unique optical properties, ease of synthesis, and flexibility of (bio)chemical functionalization. Knowledge about their potential toxicity is essential before these nanomaterials can be used in real clinical settings, particularly, if they are incorporated into hydrogels as nanocomposite hydrogels for advanced biomedical applications. The main goals pursued in this thesis are the development synthesis of Au NPs with variable size, their controlled immobilization on poly(ethylene glycol)-based hydrogels, and the investigation of cellular responses to these nanocomposite hydrogels. In the present work, Au NPs with different sizes are synthesized and characterized. The cytotoxicity of these as-obtained Au NPs are conducted in vitro with murine fibroblasts and osteoblasts using Trypan blue assay, Live/dead staining assay and MTT assay, respectively. Au NPs with 4.5 nm in diameter show significant cytotoxicity, while larger NPs are less cytotoxic. These small Au NPs have consequently been selected to fabricate novel pH-responsive hydrogel systems, i.e. genipin cross-linked chitosan-gold nanocomposite hydrogels that could release the toxic substances at lower pH values. The novel nanocomposite hydrogels indeed are found to feature a higher swelling degree at pH 6.4 as compared with that at pH 7.4. It has been demonstrated that the 4.5 nm Au NPs are released from the gels when cultured with human hepatocellular carcinoma Hep G2 (acidic environment), inducing cell death. Meanwhile, they can work as substrate to promote adhesion and proliferation of murine fibroblasts in neutral environment.
