Promising tools for biological applications [Elektronische Ressource] : nanoparticles and polyelectrolyte polymer capsules / von Almudena Munoz Javier

Pablo Guzman

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• Publié par: philipps-universitat_marburg
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 22 Mo

Extrait

Promising Tool for
Biological Applications:
Nanoparticles and
Polyelectrolyte Polymer
Capsules
Dissertation
Von
Almudena Munoz Javier
Philipps-Universität MarburgPromising Tools for Biological
Applications: Nanoparticles and
Polyelectrolyte Polymer Capsules

Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
dem Fachbereich Physik
der Philipps-Universität Marburg
vorgelegt
von
Almudena Munoz Javier
Marburg 2007






















Vom Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg
als Dissertation angenommen am:
Erstgutachter: Prof. Wolfgang Parak, Marburg
Zweitgutachter:
Tag der mündlichen Prüfung: I
Table of Contents

Zusammenfassung ..................................................................................................... III
Abstract ..................................................................................................................... IV
Part I: Nanoparticles
1. Introduction ………………………………………………………………………1
2. Theory ……………………………………………………………………………2
3. Nanoparticle Properties …………………………………………………………..7
3.1. Semiconductor Nanoparticles ……………………………………………….7
3.2. Noble Metal Nanoparticles ………………………………………………...10
3.3. Magnetic Nanoparticles ……………………………………………………15
4. Synthesis of Nanoparticles ……………………………………………………...17
4.1. Synthesis …………………………………………………………………...17
4.2. Surface Modification ………………………………………………………18
5. Investigation on Properties of Nanoparticles …………………………………...20
5.1. Salt Stability ………………………………………………………………..20
5.2. Quantum Yield ……………………………………………………………..21
6. Biocompatibility of Nanoparticles ……………………………………………...21
Part II: Polyelectrolyte Polymer Capsules
7. Polyelectrolyte Polymer Capsules as Glue to Connect Particles ……………….23
7.1. Introduction ………………………………………………………………...23
7.2. Synthesis …………………………………………………………………...23
8. Uptake of Capsules by cells …………………………………………………….25
9. Capsule Deformation Studies …………………………………………………..28
10. Application of Capsules as Drug Delivery Carrier ……………………………..29
11. Application of Capsules as Local Sensors ……………………………………...32
12. Cytotoxicity of Nanoparticles-loaded Capsules ………………………………...35
13. Conclusions ……………………………………………………………………..36
14. Outlook …………………………………………………………………………38 II
Literature ……………………………………………………………………………40
Table of Figures …………………………………………………………………….46
Scientific Publications of Results Presented in this Work ………………………….49
Acknowledgement. III
Zusammenfassung

In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Strukturen behandelt deren Größe im
nanoskopischen und mikroskopischen Bereich liegt: Nanopartikel und
Polymerkapseln. Aus einer Vielzahl möglicher vielversprechender Anwendungen
werden einige im Detail diskutiert.
Die Synthese, Charakterisierung und Oberflächenmodifizierung von halbleitenden
CdSe/ZnS und metallischen Au Nanopartikeln wird vorgestellt. Au Nanopartikel
wurden direkt in organischen Lösungsmitteln synthetisiert. Für beide Typen von
Nanopartikeln werden drei Methoden vorgestellt um sie von hydrophoben zu
hydrophilen Partikeln zu konvertieren. Die Giftigkeit von CdSe und CdSe/ZnS
Partikeln wurde auf dem Niveau einzelner Zellen untersucht. Es wurde gezeigt, dass
halbleitende CdTe Nanopartikel die mit einem kurzkettigen Thiol-Molekül bedeckt
waren ein schmales Emissionsband haben und als fluoreszierende Sensoren für die
Detektion von Ionen verwendet werden können. Der Effekt des pH Wertes und
verschiedener Ionen, unter Anderem physiologisch relevanter Ionen wie Calcium(II),
Mangan(II) und Eisen(III) auf die Lumineszenz von CdTe Nanokristallen bedeckt
mit Thioglykolsäure wird beschrieben. Es wird auch gezeigt dass Au Nanopartikel
die Fluoreszenz in benachbarten Chromophoren löschen. Außerdem wird
beschrieben und demonstriert wie solche Au Nanopartikel als Wärmequelle
verwendet werden können. Diese Eigenschaft wird dazu verwendet um drug delivery
Anwendungen zu realisieren.
Der zweite Teil dieser Arbeit ist auf die Untersuchung der Anwendung von
Polyelektrolyt Kapseln in der Zellbiologie fokussiert. Zu diesem Zweck wurden
verschieden Parameter untersucht, wie z.B. die Aufnahme von Kapseln durch Zellen,
Lokalisierung der Kapseln, und mögliche Deformierung der Kapseln. Dazu wurden
verschiedene Techniken wie Atomare Rasterkraft-Mikroskopie (AFM),
Fluoreszenzmikroskopie und Transmissions-Elektronen-Mikroskopie verwendet.
Zwei biologische Anwendungen wurden erfolgreich gezeigt. Polyelektrolyt Kapseln
wurden erfolgreich als Trägersystem für drug delivery vorgeschlagen. Dazu wurden
die Polyelektrolyt Kapseln mit metallischen Nanopartikeln in der Kapselwand
versehen. Heizen der metallischen Nanopartikel mit einem Lichtzeiger bewirkte ein
Reißen der Kapselwand und damit eine kontrollierte Freisetzung von Material aus
dem Inneren der Kapsel. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Polyelektrolyt Kapseln auch
als Sensoren zur Messung der Konzentration von Molekülen verwendet werden
können. Als Beispiel zeigen wir die Messung von pH mit Polyelektrolyt Kapseln.
Dies wurde durch Einbettung des pH-sensitiven Moleküls SNARF-1 in die
Kapselmitte erreicht. SNARF-1 modifizierte Kapseln sind ein starkes Instrument zur
Messung lokaler pH-Werte, sogar im Inneren von Zellen. IV
Abstract

In this work, we address two different structures whose sizes are in the nanoscopic
and microscopic range, namely nanoparticles and polyelectrolyte polymer capsules
respectively. Among a wide variety of their promising applications, some are
discussed.
Synthesis, characterization and surface modification of semiconductor CdSe/ZnS and
metallic Au nanoparticles are presented. Au nanoparticles were synthesized directly
in organic solutions. For both nanoparticles, three different methods to convert them
from hydrophobic particles to hydrophilic particles are proposed. At a single cell
level, cytotoxicity of CdSe and CdSe/ZnS nanoparticles were investigated. We have
demonstrated that semiconductor CdTe nanocrystals capped by short-chain thiol
molecules possess a single narrow emission band and can potentially be used as
luminescence sensors and ions probes. We report the effect of pH and various ions,
including physiology important cations such as calcium(II), manganese(II) and
iron(III), on the luminescence intensity of CdTe nanocrystals capped by thioglycolic
acid. We also show the capability of Au nanoparticles to quench the molecular
excitation energy in chromophores. In addition, we explain and demonstrate the
particular property of such a particle to work as heat center. We make use of this
property for drug delivery into cells by loading metallic Au nanoparticles in
polyelectrolyte capsules.
The second part of this work is focused on the investigation of the applications of
polyelectrolyte capsules in cell biology. For this propose, parameters like capsule
uptake by cells, capsule localization, and possible deformation were investigated by
means of different techniques such as atomic force microscopy, fluorescence
microscopy and transmission electron microscopy. Two biological applications by
using polyelectrolyte polymer capsules were successfully proven. Polyelectrolyte
capsules are proposed as drug delivery carriers. Polyelectrolyte capsules were
functionalized by loading metallic nanoparticles on the capsule wall. By heating the
metallic nanoparticles with a light pointer the capsule wall ruptured and the
embedded material was released in a controlled way. In addition, we demonstrate
that polyelectrolyte capsules can be used to measure the concentration of analytes.
As a proof of principle, we propose polyelectrolyte capsules to measure the pH. This
goal was approach by embedding an analyte sensor molecule named Snarf-1 into the
capsule cavity. Snarf-1 capsules are powerful tools to measure the pH of their
surrounding medium even inside cells. 1
I. Nanoparticles
1. Introduction

Richard Feynman was one of the first pioneers introducing the concept of
Nanotechnology and the idea of manipulating individual atoms and molecules to
create tools in the microscopic range. It is famous his statement regarding
Nanotechnology “there is plenty of room at the bottom”. In the eighties, scientists
were able to synthesize the first molecular and atomic clusters [1],[2]. Currently,
scientists are able to synthesize these clusters from a broad variety of materials and
even to control their shapes [3]. These clusters, which are also called nanoparticles
(for “big” clusters) are, and will be, very useful for many applications in a broad
variety of fields such as molecular electronics [4],[5], catalysis [6],[7], biomedicine
[8], pharmacy [9], or semiconductor engineering [10].
Generally speaking, nanoparticles are aggregates from few hundred to ten thousand
of atoms, which results in sizes in the nanometer range. Crystalline nanoparticles are
also called nanocrystals. Nanoparticles can b