| License: Publishing license for publications including print on demand (23MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-337830
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.33783
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 1 June 2017 |
| Referee: | Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Date of exam: | 11 May 2016 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Keywords: | magnetic nanoparticles, scavenger, recycling, reusable, bioremediation, biomedicine, nanotechnology |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences 600 Technology > 600 Technology (Applied sciences) 600 Technology > 620 Engineering & allied operations 600 Technology > 660 Chemical engineering |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 33783 |
Abstract (English)
The present dissertation presents the doctoral work developed during the last three years at the University of Regensburg (UR, Regensburg, Germany) and at the Istituto Italiano di Tecnologia (IIT, Genoa, Italy). The work was focused on the development and characterization of magnetic nanoparticles for different applications, resulting in three main projects discussed herein. The first two were ...
Abstract (English)
The present dissertation presents the doctoral work developed during the last three years at the
University of Regensburg (UR, Regensburg, Germany) and at the Istituto Italiano di Tecnologia (IIT,
Genoa, Italy). The work was focused on the development and characterization of magnetic
nanoparticles for different applications, resulting in three main projects discussed herein. The first two
were developed at the UR whereas the last one was carried out at the IIT.
The first chapter deals with the stabilization of carbon-coated cobalt nanoparticles (Co/C, 1) via
surface engineering in order to avoid their agglomeration in solution. In particular, different types of
surface coatings were applied to these magnetic nanoparticles (MNPs) and their effect on the magnetic
properties of the materials was evaluated. Silica-coated Co/C nanoparticles (Co/C@SiO2, 4) were
successfully synthesized, revealing good dispersion in different solvents without compromising the
high saturation magnetization (MS) which was kept at 140 emu·g-1. The inorganic silica shell offers a
new platform for further functionalization or incorporation of other molecules of interest e.g. metal
catalysts. In addition, polyethyleneimine (PEI) grafting on the nanoparticles by direct polymerization
of aziridine resulted in remarkably stable nanoparticles (Co/C-PEI, 14), which showed good
dispersibility in aqueous solutions even over months of incubation. This fact is attributed to the
significantly high loading of hydrophilic amino moieties which results in a MS decrease to 39 emu.g-1.
Nevertheless, the MNPs could still be collected by an external magnet in less than a minute. The
combined functionalization of Co/C nanoparticles using silica and PEI was also studied. For this
purpose, a silica shell was first developed and then functionalized by aziridine polymerization. The
resulting MNPs (Co/C@SiO2-PEI, 15) showed quite good dispersion in both aqueous and organic
solutions, revealing a MS comparable to Co/C-PEI. Having a multitude of surface coatings available
enlarges the number potential applications given to Co/C nanoparticles e.g. as supports for catalysis,
reagent scavengers and for bioremediation. Moreover, the surprising stability of Co/C-PEI dispersions
in water might as well allow their application on the biotechnological field.
In the second chapter the ability of Co/C nanoparticles to remove mercury ions from water was
explored. Especially Co/C-PEI (14) nanoparticles showed high efficiency to remove Hg2+ from
contaminated water samples, even in the presence of competitive metal ions. These magnetic
nanoparticles showed a high extraction capacity compared to other reported studies, accompanied by a
selectivity character that favors the extraction of toxic mercury over other ions at relevant
concentrations. Furthermore, no cobalt leaching could be observed and when using Co/C-PEI and the
MNPs could be reused for at least six consecutive cycles. Moreover, the scale up of the process was
effectively proved by the decontamination (≤ 2 µg.L-1 Hg2+) of 20 L of drinking water, containing
30 µg.L-1 Hg2+, using just 60 mg of Co/C-PEI nanoparticles.
2
The third chapter discusses the preparation of suitable magnetic nanocarriers for small interfering
RNA (siRNA) delivery into living cells. It elucidates the functionalization of water soluble magnetic
nanocubes (NCs) with positively charged polymers for subsequent electrostatic binding of negativelycharged siRNA molecules and their in vitro evaluation. Two different approaches were followed. The
first one consisted on the development of a polymer coating on the surface of manganese ferrite
nanocubes, followed by functionalization of the polymeric shell with N’N’-dimethylethylenediamine
(DMEDA) and polyethylene glycol molecules (cationic Mn-cubes, 22). In the second approach iron
oxide nanocubes were functionalized with a copolymer of (dimethlyamino)ethyl methacrylate
(DMAEMA) and oligoethylene glycol methyl ether methacrylate (OEGMEMA) (cationic IONCs, 25),
which revealed even higher surface charge. Therefore, cationic IONCs (25) proved to be more
efficient for loading, protecting and delivering the siRNA while limiting the non-specific protein
adsorption. In addition, no cytotoxic effects were detected, proving the potential of this nanocarrier for
their usage in biological systems. At the latest stage of this work the efficiency of the nanocarriers to
deliver the siRNA into living cells was assessed by measuring the expression of green fluorescent
protein (GFP). Cationic IONCs (25) carrying anti-GFP siRNA revealed promising results, with an
overall 40% downregulation on protein expression.
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Dissertation gibt die Arbeit der letzten drei Jahre an der Universität Regensburg (UR, Regensburg, Deutschland) und dem Istituto Italiano di Tecnologia (IIT, Genua, Italien) wieder. Die Arbeit war fokussiert auf die Entwicklung und Charakterisierung von magnetischen Nanopartikeln für verschiedene Anwendungen, von denen die drei Hauptprojekte hier diskutiert werden. Die ersten ...
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Dissertation gibt die Arbeit der letzten drei Jahre an der Universität Regensburg (UR,
Regensburg, Deutschland) und dem Istituto Italiano di Tecnologia (IIT, Genua, Italien) wieder. Die
Arbeit war fokussiert auf die Entwicklung und Charakterisierung von magnetischen Nanopartikeln für
verschiedene Anwendungen, von denen die drei Hauptprojekte hier diskutiert werden. Die ersten Zwei
wurden hierbei an der UR entwickelt, das Dritte am IIT durchgeführt.
Das erste Kapitel behandelt die Stabilisierung von kohlenstoffbeschichteten Cobaltnanopartikeln
(Co/C, 1) in Lösung mittels Oberflächenmodifikation. Hierfür wurden verschiedene
Oberflächenbeschichtungen auf den magnetischen Nanopartikeln (MNPs) angebracht und deren Effekt
auf die magnetischen Eigenschaften der Materialien untersucht. Silicabeschichtete Cobaltnanopartikel
(Co/C@SiO2, 4) wurden erfolgreich synthetisiert und zeigten gute Dispergierbarkeit in verschiedenen
Lösungsmitteln, ohne dabei die hohe Sättigungsmagnetisierung (Ms) der unbehandelten Nanopartikeln
zu beeinträchtigen, welche bei 140 emu·g-1 liegt. Die anorganische Silicahülle stellt eine neue
Plattform für die weitere Funktionalisierung oder die Einlagerung anderer interessanter Moleküle wie
z.B. Metallkatalysatoren dar. Auch durch das Anbringen von Polyethylenimin (PEI) durch direkte
Polymerisation von Aziridin konnten erstaunlich stabile Nanopartikel (Co/C@PEI, 14) gewonnen
werden, welche selbst über Monate hinweg gute Dispergierbarkeit in wässrigen Lösungen zeigten.
Dies wird der hohen Beladung an hydrophilen Aminogruppen zugeschrieben, welche zu einer
Reduktion der MS auf 39 emu·g-1 führen. Nichtsdestotrotz können die MNPs mit Hilfe eines externen
Magneten in weniger als einer Minute gesammelt werden. Die kombinierte Funktionalisierung der
Co/C-Nanopartikel mit Silica und PEI wurde ebenfalls untersucht. Hierfür wurde zuerst eine
Silicahülle aufgetragen und anschließend durch Aziridinpolymerisation funktionalisiert. Die so
erhaltenen MNPs (Co/C@SiO2-PEI, 15) zeigten verhältnismäßig gute Dispergierbarkeit in sowohl
wässrigen als auch organischen Lösungen, mit einer MS vergleichbar zu Co/C-PEI. Die Verfügbarkeit
einer Vielzahl an Oberflächenbeschichtungen vergrößert die Anzahl an potentiellen
Anwendungsmöglichkeiten für Co/C-Nanopartikel, z.B.: als Trägermaterial für Katalysatoren, als
Scavenger für Reagenzien oder zur Bioremediation. Hinzu kommt auch die erstaunliche Stabilität von
Co/C-PEI-Dispersionen in Wasser, welche zusätzlich deren Einsatz in der Biotechnologie erlauben
könnte.
Im zweiten Kapitel wird die Fähigkeit von Co/C-Nanopartikeln Quecksilberionen aus Wasser zu
extrahieren näher untersucht. Insbesondere Co/C-PEI-Nanopartikel (14) zeigten hohe Effizienz in der
Entfernung von Hg2+ aus kontaminierten Wasserproben, selbst in Anwesenheit von anderen,
kompetitiven Metallionen. Diese magnetischen Nanopartikel zeigten eine hohe Extraktionskapazität
im Vergleich zu anderen veröffentlichen Studien, in Verbindung mit einer Selektivität für die
Extraktion von toxischem Quecksilber in relevanten Konzentrationen gegenüber anderen Ionen. Hinzu
kommt, dass kein Cobaltleaching festgestellt werden konnte wenn Co/C-PEI-Nanopartikel verwendet
4
wurden und die MNPs in mindestens sechs aufeinanderfolgenden Zyklen wiederverwendet werden
konnten. Zudem konnte die Hochskalierung des Prozesses erfolgreich am Beispiel der
Dekontamination (≤ 2 µg·L-1 Hg2+) von 20 L Trinkwasser, welches 30 µg·L-1 Hg2+ enthielt, gezeigt
werden, wobei nur 60 mg Co/C-PEI-Nanopartikel verwendet wurden.
Das dritte Kapitel behandelt die Darstellung von geeigneten Nanocarrieren als Transporter für „small
interfering RNA“ (siRNA) in lebende Zellen. Es erläutert die Funktionalisierung von wasserlöslichen,
magnetischen Nanocubes (NCs) mit positiv geladenen Polymeren für die elektrostatische Bindung der
negativ geladenen siRNA-Moleküle, sowie deren Evaluation in vitro. Dabei wurden zwei
verschiedene Herangehensweisen untersucht. Die Erste beinhaltete die Entwicklung einer
Polymerbeschichtung der Manganferrit-Nanocubes, gefolgt von der Funktionalisierung der
Polymerhülle mit N‘-N‘-Dimethylethylendiamin (DMAEMA) und Polyethylenglykolmolekülen
(cationic Mn-cubes, 22). Der zweite Ansatz war die Verwendung eines Copolymers aus 2-
Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA) und Oligoethylenglykolmethylether (OEGMEMA) auf
den Eisenoxid-Nanocubes (cationic IONCs, 25), welche eine höhere Oberflächenladung zeigten. In
der Tat zeigten (cationic IONCs, 25) eine höhere Effizienz bei Beladung, Abschirmung und Transport,
bei gleichzeitiger Verringerung von nicht-spezifischer Proteinadsorption. Zudem konnten keine
zytotoxischen Eigenschaften nachgewiesen werden, was für das Potential dieses Nanotransporter und
ihre zukünftige Anwendung in biologischen Systemen spricht. Auf der letzten Stufe dieser Arbeit
wurde die Effektivität der Nanomaterialien als Transporter für siRNA in lebende Zellen durch
Expression von grün fluoreszierendem Protein (GFP) untersucht. Mit anti-GFP siRNA-beladenes
IONCs (25) zeigte vielversprechende Resultate, mit einer um 40% verminderten Proteinexpression.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 22:40
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