The interaction of soft Silica nanoparticles with phospholipid membranes
Bekir, Marek
In last decades, the study of the interaction between inorganic nanoparticles and phospholipid mem-branes gained more attention as it may enable new attractive application possibilities in nanomedicine. In this context vesicles composed of phospholipid membranes serve as a model for biological mem-branes. Furthermore, the interaction with more or less soft nanoparticles has a great relevance, as the parameter softness will modulate the adsorption affinity towards membranes. Therefore, we studied the interaction of soft and hard nanoparticles with lipid membranes. The former was synthesized by means of surface-initiated atom transfer radical polymerization (ATRP). The soft properties arise from having a surface grafted polymer brush. Polyelectrolytes such as cationic poly-dimethylaminoethyl-methacry-late (PDMAEMA) and poly-methacrylicacid (PMAA) were used as they enhance the colloidal stability in solution due to electrostatic repulsion. As they are polyelectrolytes the charge density can be tuned by the solution pH. Furthermore, we can control the amount of grafted polymer via the synthetic proce-dure. A detailed analysis of such core-shell structures was done, where structural details (size, shape, shell thickness, molecular weight) were obtained by a combination of small angle scattering experiments (light, X-rays and neutrons).
In the second part of the work previously synthesized cationic nanoparticles were mixed with anionic or zwitterionic lipid membranes on curved (vesicles) and planar (supported lipid bilayers) surfaces. As a result of attractive Van der Waals and electrostatic interactions nanoparticles adsorb onto the lipid membrane but until up to a certain amount of grafted polymer. Then the interaction becomes mainly repulsive, even if an electrostatic attraction is present. Static measurements were done via quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D), where the resonance frequency change records the spontane-ous supported lipid bilayer formation with subsequent nanoparticle adsorption. Essential parameters such as charge density of the polymer brush and the planar surface, amount of grafted polymer, particle size and material of the planar surface were studied. These experiments showed, that until a given amount of grafted polymer or charge density the nanoparticles do not adsorb at the surface. Beside static experiments the kinetics of the nanoparticle adsorption on vesicles of the same bilayers was investigated. Samples were used with nanoparticles containing a moderate amount of grafted polymer. The kinetic measurements were done by the stopped-flow technique, which allows rapid mixing of two small vol-umes composed of a vesicle and a nanoparticle solution into a measurement cell. The vesicle-nanopar-ticle aggregate formation was followed by time resolved turbidity and small angle X-ray scattering (SAXS) measurements. With increasing nanoparticle to vesicle ratio an increase of the kinetic time was observed. The net charge of the vesicles was inverted by adsorbing NPs and the net charge of decorated surfaces repels further approaching NPs away from the surface.
In den letzten Jahren hat die Bedeutung der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen anorganischen Nanopartikeln und Phospholipidmembranen zugenommen, denn diese ermöglichen neue attraktive Anwendungsmöglichkeiten von Nanopartikeln in der Medizin. In diesem Kontext fungieren Vesikel aus Phospholipidmembranen als Modellsysteme für biologische Zellmembranen. Neben harten anorganischen Nanopartikel kann die Interaktion auch mit weichen Nanopartikel von großer Bedeutung sein, denn der Parameter Weichheit wird das Adsorptions- und Desorptionsverhalten verändern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Interaktion von weichen Silikananopartikel mit Phospholipidmembranen. Erstere wurden über eine oberflächeninitialisierte Atomtransfer Radikalpolymerisation (ATRP) synthetisiert, wobei die Weichheit der Nanopartikel durch aufgepfropfte Polymerbürsten auf den Oberflächen entsteht. Dabei wurden Polyelektrolyte verwendet, die die Oberflächenladung der Nanopartikel erhöht, um eine kolloidale stabile wässrige Lösung zu erhalten. Es handelte sich dabei um die Polyelektrolyte Poly-Dimethylaminoethyl-Methacrylat (PDMAEMA, kationisch) und Poly-Methacrylsäure (PMAA, anionisch), deren Ladungsdichte mittels des pH-Wertes gesteuert werden kann, da es sich um schwache Polyelektrolyte handelt. Des Weiteren wurde die aufgepfropfte Polymermenge variiert. Eine detaillierte Analyse der Kern-Schale Nanopartikel wurde mittels mehrerer Analysemethoden durchgeführt, wobei exakte strukturelle Details (Größe, Schalendicke, Molekulargewicht) über verschiedene Kleinwinkelstreumethoden (Licht, Röntgenstrahlung, Neutronen) untersucht wurden.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden die zuvor hergestellten Nanopartikel mit anionischen sowie zwitterionischen Phospholipidmembranen auf gekrümmten (Vesikel) sowie planaren Oberflächen (unterstüt-zende Lipidschichten) vermischt. Aufgrund anziehender Van-der-Waals und elektrostatischer Wechselwirkung adsorbieren die Nanopartikel auf die Lipidmembran, jedoch nur bis zu einer bestimmten Menge an aufgepfropftem Polymer. Danach ist die Wechselwirkung hauptsächlich repulsiv, obwohl eine elektrostatische Anziehung vorliegt. Statische Untersuchungen wurden mittels Quarz-Kristall-Mikrowaage mit Energieverlust auf planaren Oberflächen untersucht, wobei über die Resonanzfrequenzveränderung die Ausbildung der „supported lipid bilayer“ und die anschließende Nanopartikeladsorption beobachtet wurden. Wesentliche Parameter, wie die Ladungsdichte der Partikel und Lipide, aufgepfropfte Polymermenge, Partikelgröße und Material der planaren Oberfläche, wurden untersucht. Ergebnisse zeigen, dass eine zu große Polymermenge sowie eine zu hohe Ladungsdichte der Nanopartikel die Repulsion fördern. Neben den statischen Experimenten wurde auch die Dynamik der Nanopartikeladsorption auf Vesikeln untersucht. Es wurden ausschließlich Nanopartikel verwendet, welche eine moderate Menge an aufgepfropften Polymer erhalten. Dabei wurden mittels der Stopped-Flow-Technik Vesikel- und Nanopartikellösung schnell gemischt und dann über zeitaufgelöste Trübungs- und Kleinwinkelröntgenstreumessungen die Strukturbildung der Vesikel-Nanopartikel-Aggregate beobachtet. Es stellte sich heraus, dass sich mit zunehmendem Nanopartikel zu Vesikel Verhältnis das Gleichgewicht langsamer einstellte. Zuerst adsorbieren kationische Nanopartikel auf die anionischen Vesikel. Nach einer bestimmten Anzahl an adsorbierten Partikeln wird die Oberflächenladung umgepolt, sodass das Annähern weiterer Nanopartikel erschwert bzw. verhindert.
