pNiPAM nanoparticles suspensions as crowded complex model systems: synthesis, characterization and properties

Improvements in controlled polymer synthesis and characterization methods have lead scientists to investigate new materials that would not only improve old techniques, but also open way for new approaches in several industrial and bio-medical applications. Poly-N-isopropylacrylamide (pNiPAM) is one example among this new class of materials. Being respondent to variations in temperature this ‘intelligent’ polymer is considered as a model system that is a candidate for biomaterials, drug delivery systems, biosensors, bioanalytical devices or bio-scaffolds for cell cultures. Wide range of potential applications arises mostly from nanometric size and tunable properties. Various types of pNiPAM nanoparticles with its lower critical solution temperature (LCST), around natural human body temperature (at 33oC) were synthesized and characterized in terms of size and morphology. Additionally mechanical properties of pNiPAM microgel with oscillation rheology in the absence and in the presence of linear pNiPAM chains additives was studied. Next an efficient way for chemical labeling of the polymeric nanoparticles with a fluorescent dye was established. PNiPAM nanoparticles were suitable for fluorescent techniques which allowed using them as model systems to study diffusion process and micro/macro viscosity effect in crowded complex systems. A correction procedure to study the size of relatively large, uniformly labeled nanoparticles in FCS experiment was proposed. Finally, conducted cytotoxicity studies, not only proved the lack of toxic effect but additionally demonstrated a bioscaffold based growth promotion effect on cell cultures.Postęp w stosowaniu polimerowych materiałów koncentruje uwagę naukowców na polimerach wykazujących właściwości konkurencyjne w stosunku do tradycyjnych materiałów. Polimery tworzące struktury w skali nano stanowią obiecujące narzędzie o szerokim spektrum zastosowań jako biomateriały, biosensory, systemy dostarczania leków czy bio-podłoża do hodowli komórkowych. Jednym z takich polimerów jest pNiPAM (poly-N-isoporpylacrylamid), który dzięki temperaturze przejścia fazowego około naturalnej temperatury ciała ludzkiego (33oC) zasługuje na szczególna uwagę. Syntetyzowano różnego rodzaju nanocząsteki polimeru pNiPAM oraz scharakteryzowano pod katem rozmiaru i morfologii. Dodatkowo w celu określenia właściwości mechanicznych przeprowadzono oscylacyjne badania reologiczne samego mikrożelu i w obecności liniowych łańcuchów polimeru pNiPAM. Funkcjonalizacja nanocząstek za pomocą chemicznego wprowadzenia fluorescencyjnie barwnika w strukturę nanocząstek pNiPAM, umożliwiła ich zastosowanie w technikach fluorescencyjnych. Umożliwiło to użycie nanocząstek pNiPAM jako modelowego systemu do badania dyfuzji w gęstych kładach złożonych oraz do badań nad micro/macro lepkością. Zaproponowano także poprawkę do procedury pomiaru wielkości, relatywnie dużych, jednolicie wyznakowanych nanocząstek przy użyciu techniki FCS. Dodatkowo ze względu szeroką gammę zastosowań w biologii i biotechnologii przeprowadzono badania nad cytotoksycznością otrzymanych nanocząstek. Stwierdzono brak efektu cytotoksyczności i ponadto zaobserwowano przyspieszenie wzrostu komórek w obecności nanocząstek pNiPAM.This work was supported by the International PhD Projects Program (”The PhD in Nanoscience and Nanotechnology”) Foundation for polish Science operated within the Innovative Economy Operational Programme (IE OP) 2007-2013 within European Regional Fund