Multifunctional poly(organosiloxane) nanoparticles as a model system for biomedical applications

Polymere Nanomaterialien finden bereits ein sehr breites Anwendungsspektrum in der Biomedizin, speziell in Bereichen des Wirkstofftransports und der Krebsforschung. Dennoch ist die Synthese geeigneter Modellsysteme für ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit biologischen Systemen notwendig. Diese Studie berichtet über die Synthese und Charakterisierung multifunktioneller, fluoreszenzmarkierter Poly(organosiloxan)-Kern-Schale-Nanopartikel mit veränderbaren Oberflächeneigenschaften. Die Kern-Schale-Architektur erlaubt eine unabhängige Funktionalisierung unterschiedlicher Partikelkompartimente. So wurde der Kern der Partikel während der Polykondensation mit RhodaminB-Monomer markiert. Durch Einführung geladener Gruppen in der Partikelschale wurden elektrostatisch stabilisierte Partikel erhalten. Alternativ führt das Aufpfropfen von Polymeren (thermoresponsives Poly(2-isopropyl-2- oxazolin) oder Poly(ethylenglykol)) auf die Oberfläche zu sterisch stabilisierten, biokompatiblen Nanopartikeln. Schließlich wurde Biotin an die Partikeloberfläche gekuppelt, um die Immobilisierung weiterer Liganden wie Antikörper oder Enzyme auf der Partikeloberfläche zu ermöglichen. Die Nanopartikel wurden mittels Elektronenmikroskopie, winkelabhängiger dynamischer Lichtstreuung (DLS), asymmetrischer Fluss Feld-Fluss Fraktionierung (AF-FFF) und ζ-Potential-Messungen charakterisiert. Die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der Fluoreszenzspektroskopie untersucht, einschließlich der Bestimmung der absoluten Fluoreszenzquantenausbeuten. Auf Grund ihrer modularen Struktur und Vielfalt an möglichen Funktionalisierungen eignet sich das Poly(organosiloxan)-System für diverse biomedizinische Anwendungen, wie z.B. Abbildungsmethoden, spezifisches Targeting und Wirkstofftransport. Die zelluläre Aufnahme der Nanopartikel in vivo wird oft durch die Bildung einer Proteinkorona beeinflusst, deshalb wurde weiterhin das Verhalten unterschiedlich funktionalisierter Partikel unter physiologischen Bedingungen und in Anwesenheit von Serumproteinen mittels DLS und AF-FFF untersucht. Neben der Synthese und physikochemischen Charakterisierung wurden auch Zellaufnahmeexperimente durchgeführt, in denen die Wechselwirkung der Nanopartikel mit Lungengewebemodellen erforscht wurde. Diese Versuche zeigen Unterschiede in der zellulären Aufnahme der elektrostatisch und der sterisch stabilisierten Partikel.Polymeric nanomaterials offer a wide range of biomedical applications especially in the fields of drug delivery and cancer research. However, suitable model systems are still required to gain deeper knowledge of interactions of nanoparticles with biological systems. This study reports on the synthesis and characterization of multifunctional, fluorescent poly(organosiloxane) core-shell nanoparticles with tunable surface properties. The core-shell approach allows the independent functionalization of different compartments. Thus, rhodamine b-labeled monomer was efficiently incorporated into the core during polycondensation. By introduction of charged groups on the surface, electrostatic stabilization of the particles was achieved. Alternatively, grafting of polymers (e.g. thermo-responsive poly(2-isopropyl-2-oxazoline) or poly(ethylene glycol)) leads to sterically stabilized, biocompatible nanoparticles. Finally biotin was introduced on the surface allowing the immobilization of further ligands such as antibodies or enzymes on the particle’s surface. The nanoparticles were characterized by electron microscopy, multi-angle dynamic light scattering (DLS), asymmetrical flow field-flow fractionation (AF-FFF) and zeta potential measurements. The spectroscopic properties were studied by fluorescence spectroscopy, including the determination of absolute fluorescence quantum yields. Due to their modular structure and the variety of possible functionalizations, the poly(organosiloxane) system is suitable for diverse biomedical applications, e.g. imaging methods, specific targeting and drug delivery. The cellular uptake of nanoparticles in vivo is often determined by the formation of a protein corona. Therefore, the behavior of nanoparticles with different surface characteristics was compared under physiological conditions and in presence of serum proteins using DLS and AF-FFF. Besides the synthesis and the physico-chemical characterization, cell experiments are performed where nanoparticles are applied to lung tissue models. These experiments demonstrate differences in the uptake behavior of electrostatically and sterically stabilized nanoparticles