Magnetische Nanopartikel für medizinische und weitere Anwendungen
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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.