Synthese, Löslichkeit und Stabilität von Gold-Nanopartikeln in biologischen Medien

(2011), 246 S.
Dissertation / Fach: Chemie
Fakultät für Chemie » Anorganische Chemie
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Auflösung von Gold-Nanopartikeln möglichst in Abhängigkeit von ihrer Größe, Gestalt und Funktionalisierung zu untersuchen. Ergänzend waren die Stabilität in verschiedenen biologischen Medien sowie die Effekte auf humane mesenchymale Stammzellen zu analysieren.
Für die Darstellung mit anschließender Charakterisierung der Gold-Nanopartikel wurden verschiedene Synthesewege verwendet. Unter Zuhilfenahme des Polyol-Prozesses war es möglich, PVP-stabilisierte pyramidale und kugelförmige Formen darzustellen. Hierbei wurde die Tetrachlorogoldsäure mittels Ethylenglycol reduziert und durch das Polymer PVP stabilisiert. Für die Synthese von monodispersen, kugelförmigen Gold-Nanopartikeln wurde als Reduktionsmittel Trinatriumcitrat verwendet. Die mittels Trinatriumcitrat dargestellten Partikel wurden anschließende entweder mit dem Phosphan TPPTS oder durch das Polymer PVP stabilisiert. Diese Partikel waren im Vergleich zum Polyol-Prozess monodispers und mit einer hohen Reinheit darstellbar. Darüber hinaus erfolgte die Synthese des Thiol-Liganden TD20 L. Mit diesem war es möglich, die mittels Natriumcitrat synthetisierten Nano-partikel auf eine weitere Art zu stabilisieren. Ferner wurden Gold-Nanopartikel mit einem Gemisch aus Natriumcitrat und Gerbsäure synthetisiert, was zu einer noch geringeren monodispersen Größe des Goldkerns führte. Diese Nanopartikel konnten ebenso mit dem Phosphan TPPTS oder dem Polymer PVP stabilisiert werden.
Die Untersuchung der Auflösung erfolgte nach drei Prinzipien, mit Hilfe einer Dialysemembran, aus einer Kombination aus einem Agarose-Gel und der Ultrazentrifugation und durch einen Nanofilter. Dabei war eine Vielzahl von Problemen zu lösen, welche die Untersuchung der Gold-Nanopartikel massiv beeinflusst haben. Die Dialysemembran sollte auf der einen Seite aus einem inerten Material bestehen und zusätzlich gewährleisten, dass die Trennung von Gold-Nanopartikeln und Gold-Ionen quantitativ verlief. Das konnte technisch bedingt nur teilweise erfüllt werden. Aus diesem Grund führte die Untersuchung im weiteren Verlauf dieser Arbeit zu einer Kombination aus einem Agarose-Gel und der Ultrazentrifugation. Die vielversprechendste Methode war die Nanofiltration, welche die Voraussetzung erfüllte, die Nanopartikel quantitativ von den Gold-Ionen zu trennen. Zudem war durch die Trennmethode bedingt gewährleitet, dass die zur Trennung eingesetzte Membran einen relativ geringen Einfluss auf die Gold-Ionen ausüben konnte. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die durch Oxidation der Gold-Nanopartikel freigesetzte Goldmenge sehr gering, aber dennoch signifikant ist. Verglichen mit der Freisetzung aus einem Gold-Barren ist die Menge des Goldes zwar erhöht, aber als unbedenklich zu sehen, bezogen auf den Einsatz von Gold-Nanopartikeln in biologischen Systemen.
In dieser Arbeit wurde ebenfalls die Stabilität der TPPTS- und PVP-stabilisierten Gold-Nanopartikel, die mittels Citratreduktion dargestellt wurden, in verschiedenen biologischen Medien untersucht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Nanopartikel in dem reinen Zellkulturmedium RPMI agglomerierten. Der Zusatz verschiedener Proteine, wie z.B. FCS oder BSA, führte zu einer Stabilisierung der Partikel. Es wurde auch versucht, den Anteil des BSA auf der Partikeloberfläche zu bestimmen. Hierbei kamen die Thermogravimetrie und die Elementaranalyse zum Einsatz. Das BSA ist sowohl bei PVP als auch bei TPPTS-stabilisierten Gold-Nanopartikeln näherungsweise in Form einer Monolage auf der Oberfläche gebunden. Ein quantitativer Austausch zwischen dem BSA und dem ursprünglichen Stabilisator ist hingegen in keinem Fall zu beobachten.
Ebenso wurde der Einfluss auf humane mesenchymale Stammzellen analysiert. Dafür wurden PVP-stabilisierte Gold-Nanopartikel verwendet, welche monodispers mittels Natriumcitrat dargestellt worden waren. Es war keine Beeinflussung der Viabilität oder des chemotaktischen Verhaltens der Stammzellen zu erkennen. Jedoch induzierten die Nanopartikel die vermehrte Freisetzung der Interleukine 6 und 8, was eine Aktivierung der Stammzellen anzeigt. Abschließend erfolgte eine Untersuchung zur Charakterisierung eines bimodalen Gemisches aus Gold- und Silber-Nanopartikeln. Dabei kamen die Elektronen-mikroskopie, die Dynamische Lichtstreuung, die Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) und die Analytische Scheibenzentrifugation zum Einsatz. Mit Hilfe dieser Untersuchung konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen verwendeten Methoden unterschiedliche Ergebnisse lieferten. Das führte zu der Folgerung, dass es zwingend notwendig ist, mehr als eine Methode zur Charakterisierung eines nanopartikulären Systems zu verwenden. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn man die Effekte von nanoskaligen Systemen in biologischen Systemen untersuchen und beurteilen möchte.

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