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Authors: Köhler, Oskar Lancelot
Title: Magnetische Nanopartikel für medizinische und weitere Anwendungen
Online publication date: 5-Jun-2017
Language: german
Abstract: Monodisperse sphärische Eisenoxid-Nanopartikel (13–25 nm) und Gold@Eisenoxid-Nanoheterodimere mit geringer Größenverteilung (~3 nm@18 nm) wurden aus Zersetzungsreaktionen metallorganischer Vorstufen in hochsiedenden organischen Lösungsmitteln dargestellt. Mößbaueruntersuchungen und magnetische Untersuchungen ergaben, dass die superparamagnetischen Partikel aus einer Mischphase von γ-Fe2O3 und Fe3O4 bestanden. Darüber hinaus wurde die Wirkung von Kupferadditiven auf die Formgebung von Eisenoxid-Nanopartikeln untersucht. In Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung wurde die asymmetrische Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung anhand der Gold@Eisenoxid-Nanoheterodimere als mögliche Trennmethode für Nanopartikel getestet. Die hydrophoben Eisenoxid-Nanopartikel wurden durch den Austausch der Ölsäureliganden mit dem Kettenpolymer Poly(pentafluorophenyl)acrylat wasserlöslich gemacht, welches 3-Hydroxytyramin, Fluoreszenzfarbstoffe, bis-amino-funktionalisierten Polyethylenglycole und synthetische, einzelsträngige, immunstimulierende CpG-Oligonukleotide trug. Unter Einsatz von zeitaufgelöster Impedanzspektroskopie wurde beobachtet, dass die so funktionalisierten Eisenoxid-Nanopartikel effizient den lysosomal-vorkommende Toll-Like Rezeptor (TLR-9) in A549-Lungenkarzinomzellen anregten. In Folge dessen besaßen die Krebszellen eine gesteigerte Mikromotilität. Die Eisenoxid-Nanopartikeln und die Gold@Eisenoxid-Nanoheterodimere wurden mit einer wasserlöslichen Silica-Schale (2–5 nm) ausgestattet, welche durch eine reverse Mikroemulsion auf die Eisenoxid-Nanopartikel bzw. -Domäne aufgebracht wurde. Zusätzlich waren in dieser Fluoreszenzfarbstoffe eingelagert und auf der Oberfläche freie Aminogrupppen als mögliche Ankergruppen für Biomoleküle angebracht worden. Die so funktionalisierten Partikel zeigten nach Inkubation in vitro mit menschlichen Endothelzellen keine signifikante Toxizität. Bei den Gold@Eisenoxid-Nanopartikeln trat zusätzlich ein den oxidativen Stress vermindernder Effekt auf. Neuartige FePt@MnO-Nanoheteropartikel mit geringer Größenverteilung sowie kontrollierbarer Größe und Morphologie der einzelnen Domänen wurden über eine keimvermittelte Synthese dargestellt. Indem Syntheseparameter wie beispielsweise die Elektronendichte des Lösungsmittels variiert wurden, konnten verschiedene Partikelarten wie Dimere oder auch Heteromultimeren erhalten werden. Hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie zeigte, dass die MnO-Domäne bevorzugt auf der (111)-Oberfläche der fcc-FePt-Nanopartikel wuchs. Dabei trat eine zweidimensionale Defektstruktur mit zusätzlicher Gitterebene im FePt alle 8 bis 9 Reihen auf, um die Periodizität des MnO-Gitters aufrecht zu erhalten. Ferner koppelten bei tiefen Temperaturen die Oberflächenspins der antiferromagnetischen MnO-Domäne mit den magnetischen Momenten der ferromagnetischen FePt-Nanopartikel und erzeugten dabei einen Exchange Bias-Effekt in der Hysterese. Um die magnetischen Eigenschaften zu verbessern, wurden erste Versuche zur thermischen Umwandlung der superparamagnetischen (fcc) A1-Phase in die stark ferromagnetische (fct) L10-Phase der FePt-Domäne durchgeführt. In Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich wurden die für FePt@MnO-Nanoheterodimere mittels Röntgenkleinwinkelstreuung und anormaler Röntgenkleinwinkelstreuung untersucht und ein Formfaktormodell aufgestellt. Zudem zeigten Messungen mit Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall, dass durch Anlegen eines Magnetfeldes erste geordnete Strukturen der Nanodimere erhalten werden konnten.
Monodisperse spherical iron oxide nanoparticles (13–25 nm) and gold@iron oxide nano-heteroparticles with a low size distribution (~3 nm@18 nm) have been synthesized via thermal decomposition reactions of organometallic compounds in high boiling solvents. Mössbauer spectroscopy and magnetic investigations revealed in these particles superparamagnetism and a mixed phase of γ-Fe2O3 and Fe3O4. Furthermore, the effect of copper compounds in shaping iron oxide nanoparticles has been studied. In cooperation with the Federal Institute for Materials Research and Testing the asymmetrical flow field-flow fractionation was examined as a separation method for nanoparticles based on gold@iron oxide nano-heteroparticles. The hydrophobic iron oxide nanoparticles became hydrophilic by ligand exchange with a polymeric backbone (poly(pentafluorophenyl)acrylate, whose pentafluorophenyl groups were successively exchanged with dopamine, a fluorescent dye and bis-amino-functionalized polyethylene glycol and synthetic single-stranded immunostimulatory CpG-oligodeoxynucleotides. Efficient stimulation of the endogenous TLR-9 in A549 lung epithelial through administration of the functionalized nanoparticles resulting in enhanced micromotility of the cancer cells were revealed by time resolved impedance spectroscopy. Iron oxide nanoparticles and gold@iron oxide nano-heteroparticles were encapsulated within a water-soluble silica shell (2–5 nm), which grew via reverse microemulsion-mediated synthesis on the iron oxide particles and domain, respectively. Additionally, the shell contained fluorescent dyes and had surface amino groups available for further conjugation of biomolecules. After incubation in human endothelial cells these particles showed no significant toxicity. Furthermore, the gold@iron oxide nano-heteroparticles Janus particles reduced the level of reactive oxygen species. Novel FePt@MnO nano-heteroparticles with a low size distribution, different sizes and morphologies of the individual domains were prepared by a seed-mediated synthesis. Different kinds of particles like dimers or hetermultimers could be obtained by adjustment of the synthetic parameters e. g. changing the polarity of the solvent. High resolution transmission electron microscopy revealed, that the MnO domains preferentially grow on the (111) surfaces of the fcc-FePt seeds. The formation of a two-dimensional defect structure with an extra atomic layer appeared in FePt every 8–9 layers to keep up the periodicity of the MnO lattice. Moreover, the surface spins of the antiferromagnetic MnO domains pined the magnetic moments of the ferromagnetic FePt nanoparticles leading to an exchanged biased magnetic hysteresis. Initial experiments had been conducted to enhance the magnetic properties by thermal phase transition from the superparamagnetic (fcc) A1 phase to the strong ferromagnetic fct) L10 phase of the FePt domain. In cooperation with the Jülich Research Centre nano-heteroparticles a form factor models for the FePt@MnO nano-heteroparticles could be determined utilizing small angle x-ray scattering and anomalous small angle x-ray scattering. In addition, displayed by grazing incidence small angle x-ray scattering the particles could be arranged by applying a magnetic field.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-858
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XXII, 213 Seiten
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