Synthesis, characterization and toxicological evaluation of carbon-based nanostructures

The synthesis, characterization and biological evaluation of different graphene-based nanoparticles with potential biomedical applications are explored. The results presented within this work show that eukaryotic cells can respond differently not only to different types of nanoparticles, but also identify slight differences in the morphology of nanoparticles, such as size. This highlights the great importance of the synthesis and thorough characterization of nanoparticles in the design of effective nanoparticle platforms for biological applications. In order to test the influence of morphology of graphene-based nanoparticles on the cell response, nanoparticles with different sizes were synthesized and tested on different cells. The synthesis of spherical iron-oxide nanoparticles coated with graphene was accomplished using a colloidal chemistry route. This synthesis route was able to render nanoparticle samples with narrow size distributions, which can be taken as monodispersed. Four different samples varying in diameter from 10 to 20 nm were produced and the material was systematically characterized prior to the biological tests. The characterization of the material suggests that the iron oxide nanoparticles consist of a mix of both magnetite and maghemite phases and are coated with a thin graphitic layer. All samples presented functional groups and were similar in all aspects except in diameter. The results suggest that cells can respond differently even to small differences in the size of the nanoparticles. An in situ study of the coating of the iron-oxide nanoparticles using a transmission electron microscope revealed that it is possible to further graphitize the remaining oleic acid on the nanoparticles. The thickness of the graphitic coating was controlled by varying the amount of oleic acid on the nanoparticles. The in situ observations using an electron beam were reproduced by annealing the nanoparticles in a dynamic vacuum. This procedure showed that it is not only possible to coat large amounts of iron oxide nanoparticles with graphene using oleic acid, but also to improved their magnetic properties for other applications such as hyperthermia. This study therefore revealed a facile route to grow 2D graphene takes on substrates using oleic acid as a precursor. The synthesis of nanographene oxide nanoparticles of different sizes was in a second approach accomplished by using the Hummers method to oxidize and expand commercially available graphite. The size of the oxidized graphite was adjusted by sonicating the samples for different periods of time. The material was also thoroughly characterized and demonstrated to have two distinctive average size distributions and possess functional groups. The results suggest that different size flakes can trigger different cell response. The synthesis, characterization and biological evaluation of graphene nanoshells were performed. The graphene nanoshells were produced by using magnesia nanoparticles as a template to the graphene nanoshells. The coating of magnesia with graphene layers was accomplished using chemical vapor deposition. The nanoshells were obtained by removing the magnesia core. The size of the nanoshells was determined by the size of the magnesia nanoparticles and presented a broad size distribution since the diameter of the magnesia nanoparticles could not be controlled. The nanoshells were also characterized and the biological evaluation was performed in the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA), in Switzerland. The results suggest that despite inducing the production of reactive oxygen species on cells, the nanoshells did not impede cell proliferation.Die Herstellung, Charakterisierung und biologische Auswertung von verschiedenen Graphen-basierten Nanopartikeln mit einer potenziellen biomedizinischen Anwendung wurden erforscht. Die vorgestellten Ergebnisse im Rahmen dieser Arbeit zeigen, dass eukaryotische Zellen unterschiedlich reagieren können, wenn sie mit Nanopartikeln unterschiedlicher Morphologie interagieren. Die Zellen können geringe Unterschiede in der Morphologie, insbesondere der Größe der Nanopartikeln, identifizieren. Dies unterstreicht den Einfluss der Herstellungsmethoden und die Notwendigkeit einer gründlichen Charakterisierung, um ein effektives Design von Nanopartikeln für biologische Anwendungen zu erreichen. Um den Einfluss der Größe von Graphen-basierten Nanopartikel auf das Zellverhalten zu erforschen, wurden verschiedene Graphen-beschichte Eisenoxid-Nanopartikelproben durch eine kolloidchemische Methode hergestellt. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht die Synthese von Nanopartikeln mit engen Größenverteilungen, die als monodispers gelten können. Vier Proben mit unterschiedlichen Durchmessern (von 10 bis 20 nm) wurden hergestellt und vor den biologischen Untersuchungen systematisch charakterisiert. Die Probencharakterisierung deutet auf eine Mischung aus Magnetit- und Maghemit-Kristallphasen hin, außerdem besitzen die Nanopartikel eine dünne Graphitschicht. Die spektroskopischen Ergebnisse auch zeigen außerdem, dass alle Proben funktionelle Gruppen auf ihrer Oberfläche besitzen, sodass sie in allen Aspekten, außer Morphologie (Durchmesser), ähnlich sind. Die biologischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass Zellen unterschiedliche Größen von Eisenoxid-Nanopartikeln reagieren können. Ein in situ Untersuchung der Beschichtung der Eisenoxid-Nanopartikel wurde mit einem Transmissionelektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine dünne Schicht von Ölsäure aus dem Syntheseprozess auf den Nanopartikeln verbleibt. Diese Schicht kann mit einem Elektronstrahl in Graphen umgewandelt werden. Die Dicke der Graphitschicht auf den Nanopartikeln kann durch die Menge der eingesetzten Ölsäure kontrolliert werden. Die in situ Beobachtungen der Graphenumwandlung konnte durch erhitzen der Nanopartikeln in einem dynamischen Vakuum reproduziert werden. Das Brennen der Eisenoxid-Nanopartikel ermöglicht nicht nur die Graphitisierung der Ölsäure, sondern auch eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel für weitere Anwendungen, z. B. der Hyperthermie. Die Umwandlung der Ölsäure in Graphen konnte so als relativ einfaches Verfahren der Beschichtung von zweidimensionalen (2D) Substraten etabliert werden. Die Herstellung von Nanographenoxid mit unterschiedlichen Größen wurde mit der Hummers-Method durchgeführt. Die unterschiedlichen Größen der Nanographenoxidpartikel wurde durch eine Behandlung in Ultraschallbad erreicht. Zwei Proben mit deutlicher Verteilung wurden mit mehreren Verfahren charakterisiert. Beide Proben haben Nanographenoxid Nanoteilchen mit verschiedenen funktionellen Gruppen. Die biologische Charakterisierung deutet darauf hin, dass unterschiedliche Größen des Nanographens ein unterschiedliches Zellverhalten auslösen. Abschließend, wurde die Herstellung, Charakterisierung und biologische Auswertung von Graphen-Nanoschalen durchgeführt. Die Graphen-Nanoschalen wurden mit Magnesiumoxid-Nanopartikeln als Template hergestellt. Die Beschichtung des Magnesia mit Graphen erforgte durch die chemische Gasphasenabscheidung. Die Nanoschalen wurden durch Entfernen des Magnesia-Kerns erhalten. Die Größe der Nanohüllen ist durch die Größe der Magnesia-Kerns bestimmt und zeigt eine breite Verteilung, da der Durchmesser der Magnesiumoxid-Nanopartikel gegeben war. Die Nanoschalen wurden ebenfalls mit Infrarot- und Röntgen Photoemissionspektroskopie charakterisiert und die biologische Bewertung wurde im Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) durchgeführt, in der Schweiz. Die Ergebnisse zeigen, dass zwar die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies in den Zellen ausgelöst wird, diese sich aber weiterhin vermehren können