Surface Modification and Functionalization of Colloidal Nanoparticles

Den Schwerpunkt dieser Dissertation stellt die Synthese multifunktionaler Nanopartikel, sowie deren Oberflächen-Modifikation und –Funktionalisierung für biologische Anwendungen dar. Kolloidale Nanopartikel haben gemeinsame, größenabhängige physikalische und chemische Eigenschaften inne, die in einer Weise kontrollierbar sind, wie es für makroskopische Festkörper nicht möglich ist. Multimodale, molekulare Bildgebung ist die synergetische Kombination aus zwei oder mehr Detektionstechniken, ermöglicht durch multimodale Objekte und Bildgebungsverfahren und gewährleistet eine verbesserte Visualisierung biologischer Materialien. Einige Prototypen, die auf multimodalen Nanopartikeln basieren, sind entwickelt worden. Kolloidale Nanopartikel,aufgebaut aus einem anorganischen Kern und einer Polymerhülle wurden synthetisiert. Sowohl der Kern als auch die Polymerhülle können je nach Zweckmäßigkeit für die Bildgebung/Detektion fluoreszent, magnetisch oder radioaktiv sein. Das Polymer enthält Carboxygruppen, die die Partikel durch elektrostatische Repulsion stabilisieren und darüber hinaus als Bindungsstellen für weitere chemische Funktionalisierungen zur Verfügung stehen. Hydrophobe Nanopartikel (CdSe/ZnS, Fe2O3 oder Gold-198) wurden anhand unterschiedlich modifizierter Polymere (mit Gadolinium, organischen Fluorophoren oder Indium-111) in eine wässrige Phase überführt. Zur Untersuchung nanopartikel-basierter Sensoren wurde eine FRET-Struktur eingeführt, in der ein organischer Farbstoff (ATTO-590) als Akzeptor direkt in die Polymerhülle eingebettet wurde, die die kolloidale Stabilität der als Donor fungierenden CdSe/ZnS Quantenpunkte generierte. Zur Detektion von Protonen wurden sowohl negativ als auch positiv geladene Goldnanopartikel mit einem ionensensitiven Farbstoff (SNARF) modifiziert. Es wurde außerdem demonstriert, dass das Sensor-Signal nicht durch die reale Konzentration, sondern die lokale Konzentration, in der „nano“-Umgebung der Partikeloberfläche generiert wird. Darüber hinaus wurde in einer kollaborativen Arbeit demonstriert, dass Nanopartikel-Kerne kombiniert mit Polymerhüllen für die Induktion von Zellschädigungen verantwortlich sind, nicht jedoch die Hüllen allein. Es wurde festgestellt, dass das Aufnahmeverhalten und die zellulär unfreundlichen Effekte von der Dauer der Aussetzung, vom Zelltyp und der Zellkultur abhängen. Außerdem wurden Goldnanopartikel mit und ohne PEG-Modifizierung in der „rainbow trout gill“ Zelllinie RTGill-W untersucht, wobei Goldnanopartikel mit PEG-Modifizierung eine geringere Toxizität auf die Alge als nicht PEG-modifizierte Partikel zeigten