TY  - THES
A1  - Liang, Yuejiang
T1  - Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden
T1  - Deagglomeration and surface modification of nanodiamond via thermochemical and mechanochemical method
N2  - Nanodiamant weist aufgrund seiner herausragenden mechanischen, optischen und biokompatiblen Eigenschaften ein enormes Potential auf. Für eine erfolgreiche Anwendung muss dieser jedoch zunächst desagglomerisiert und an seiner Oberfläche funktionalisiert werden. In dieser Arbeit werden zwei unterschiedlichen Methoden zur Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung vorgestellt. Im ersten Teil wird die thermochemische Methode beschrieben, um den ungewöhnlich stark agglomerierten Detonationsnanodiamant zu deagglomerieren. Dabei wird die Strategie verfolgt, den Nanodiamant erst durch eine thermische Behandlung im Vakuum die vorhandenen Oberflächengruppe zu entfernen, π-Bindungen zu etablieren und dann dessen Oberfläche durch kovalente Bindungen zu modifizieren. Im zweiten Teil wird eine mechanochemische Methode für die Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung vorgestellt. Dabei wird ein völlig neuer Ansatz (BASD-Verfahren) entwickelt. Die Ultraschallbehandlung in Kombination mit zusätzlichen Mikrokeramikpartikeln eignet sich hervorragend, um Nanodiamant-agglomerate aufzubrechen. Zwei unterschiedliche Reaktionen mit zwei unterschiedlichen Nanodiamantsorten werden getestet: Eine einfache Kondensationsreaktion durch Silanisierung und eine Radikalreaktion über das Diazoniumsalz. In weiteren Experimenten kann gezeigt werden, dass sich die zuerst vorgestellte thermochemische Methode auch eignet, um aus fluoreszierenden NV-Nanodiamant kolloidalen NV-Nanodiamant mit funktionellen Gruppen herzustellen. Der letzte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von Nanodiamanten aus Diamantfilmen mit Hilfe des Top-down Ansatzes, da der gezielte und kontrollierte Aufbau der Gitterstruktur des Diamanten sowie die kontrollierte Einführung bisher nur durch CVD oder Ionenimplantationstechnik möglich ist.
N2  - Nanodiamond exhibits an enormous potential due to its outstanding mechanical, optical and biocompatible properties. However, a successful application must begin with deagglomerated and functionalized particles. In this study, two different methods for deagglomeration and surface functionalization are introduced. The first part deals with a thermochemical method for deagglomeration of unusual tight agglomerated detonation nanodiamond. Thereby, a new strategy is developed, in which the nanodiamond is partially graphitized by annealing in vacuum in order to remove the present surface groups and establish π-Bonds, followed by surface-modification through covalent grafting. In the second part, a mechanochemical method for the deagglomeration and surface functionalization is presented. A completely new approach (BASD method) is developed. Ultrasonic treatment in combination with additional micro-ceramic particles is excellently suited for breaking up agglomerates of nanodiamond.Two different reactions with two different types of nanodiamond are tested: A simple condensation reaction by silanization and a radical reaction of the diazonium salt. Further experiments show that the first presented thermochemical method is also suitable for production of colloidal nanodiamond with functional groups from fluorescent NV-nanodiamond. In the last part of the present work, the production of nanodiamonds from diamond films by means of a top-down approach is described. So far, only the CVD production of diamond enables a direct access to a structured diamond material.
KW  - Nanopartikel
KW  - Synthesediamant
KW  - Aggregat <Chemie>
KW  - Funktionalisierung <Chemie>
KW  - Kolloid
KW  - Nanodiamant
KW  - Deagglomerierung
KW  - nanodiamond
KW  - deagglmeration
KW  - surface functionalisation
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56296
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jarre, Gerald
T1  - Funktionalisierte Nanodiamanten - Diels-Alder-Reaktion auf Nanodiamantpartikeln
T1  - Functionalized Nanodiamonds - Diels Alder reaction on nanodiamond particles
N2  - Für Diamantpartikel basiert diese Funktionalisierungschemie auf den bereits vorhanden Oberflächengruppen, die durch die Synthese und Reinigung entstanden sind. Die stabilste Anbindung wäre eine C-C-Verknüpfung der Diamantatome auf der Oberfläche mit den organischen Reagenzien. Um diese Verknüpfung zu erreichen, wurde die Oberfläche mittels Diels-Alder-Reaktion funktionalisiert. Grundvoraussetzung hierfür ist eine Oberfläche, die über eine ausreichende Menge an C=C-Doppelbindungen verfügt. Dies wurde durch eine thermische Behandlung erreicht. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass ab einer Behandlungstemperatur von 750 °C keine funktionellen Gruppen durch die eingesetzten Analysemethoden mehr nachgewiesen werden können. Die Elementaranalyse der einzelnen Proben zeigt einen deutlichen Anstieg des Kohlenstoffgehaltes. Nach erfolgreicher thermischer Behandlung des Diamanten wurde durch die Verwendung von Cyclopentadien und Anthracen als Dien gezeigt, dass eine Funktionalisierung über eine Diels-Alder-Reaktion generell möglich ist. Daher wurde als alternatives Dien ein o-Chinodimethan eingesetzt. Hierzu wurde eine systematische Untersuchung der Umsetzung der unterschiedlichen thermisch behandelten Proben mit α,α’-Dibrom-o-xylol durchgeführt. Hierdurch wurde gezeigt, dass der Ausgangsdiamant bei mindestens 750 °C behandelt werden muss, um eine messbare Oberflächenbelegung zu erhalten. Im Anschluss wurde die Funktionalisierbarkeit der eingeführten Arylgruppen überprüft. Durch die Einführung unterschiedlicher funktioneller Gruppen ist es dann möglich, Moleküle für spezielle Anwendungen anzubinden. Durch die Anwendung der klassischen Aromatenchemie war es möglich, die aromatischen Oberflächen zu nitrieren und sulfonieren. Die Sulfonsäuregruppe konnte partiell zum Thiol reduziert werden. Durch Umsetzung dieser Thiolgruppen war es möglich, einen mannosemodifizierten sowie einen farbstoffmodifizierten Diamanten herzustellen. Da die nachträgliche Einführung von Carboxylgruppen mit hohem synthetischem Aufwand verbunden ist, wurde alternativ ein carboxyltragender Vorläufer mit dem thermisch behandelten Diamant umgesetzt. Hierbei wurde eine Oberflächenbelegung von ca. 0.8 mmol g-1 erreicht (Ausgangsdiamant thermisch behandelt bei 750 °C). Im Anschluss wurde die Säuregruppe mit einem einfach geschützten Diamin weiterfunktionalisiert. Hierbei wurden unterschiedliche Methoden zur Amidbildung getestet. Als effektivste Methode stellte sich die Synthese über ein Säurechlorid heraus. Infolgedessen war eine weitgehende Umsetzung (ca. 94 - 88 %) der Säuregruppe möglich. Eine weitere wichtige funktionelle Gruppe für die Anbindung größerer Einheiten stellen die Amine dar. Diese lassen sich einfach darstellen, z. B. durch Reduktion von Cyanogruppen. Daher wurde 2,3-Bis-(brommethyl)-5,6-dicyanopyrazin als Edukt für die Funktionalisierung eingesetzt. Nach anschließender Reduktion der Cyanogruppen wurden primäre Amine erhalten. Die so erzeugte Aminogruppe wurde mit Biotin weiter funktionalisiert. Die bisher eingesetzten o-Chinodimethane sind ausschließlich durch 1,4-Eliminierung zugänglich. Eine sinnvolle Alternative zu diesem Vorläufer ist die Verwendung eines Cyclobutenderivates. Der Vorteil liegt in einer einfacheren Reinigung des Produktdiamanten. Als Testverbindung wurde 2,4-Bis-(methylsulfonyl)-5,6-dihydro-cyclobuta-[d]-pyrimidin verwendet. Nach erfolgreicher Umsetzung mit dem Diamanten wurden die Thioethergruppen in Sulfone überführt und in 2-Position wurde das Sulfon gegen eine Aminogruppe ausgetauscht. Neben den durchgeführten Funktionalisierungsreaktionen wurde eine nasschemische Nachweismethode zur Quantifizierung von primären Aminen entwickelt. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass der Nachweis auf einfache Weise durchführbar ist und nur 1 – 2 mg Diamantprobe nötig sind. Die gewonnen Ergebnisse zeigen, dass durch den Nachweis verlässliche Angaben über die genaue Aminmenge erhalten werden.
N2  - For nanodiamond particles the functionalisation chemistry is based on the already existing surface groups, which were introduced during synthesis and cleaning. The most stable grafting would be a C-C coupling of the diamond atoms on the surface with organic reagents. To achieve this linkage the surface is func-tionalized via Diels-Alder reaction. Basic prerequisite for this is a surface which has a sufficient amount of C=C double bonds. This was achieved by thermal treatment. The obtained results show, that above a treatment temperature of 750 °C no functional groups can be detected anymore by the used analytic methods. The elemental analysis of each sample shows a significant increase in carbon content. This is also an indication of a successful removal of most oxygen containing surface groups. After successful thermal treatment of the diamond it was shown by the usage of cyclopentadiene and anthracene, that in general a functionalization via Diels-Alder reaction is possible. Because of this as an alternative diene an o-quinodimethane was applied. For this purpose a systematic study of the reaction of the different thermally annealed diamond samples with α,α’-di-bromo-o-xylene was performed. This has shown that pristine diamond has to be treated at least at 750 °C to obtain a measurable surface coverage. Subsequently, the functionalization of the introduced aryl groups was investigated. By the introduction of different functional groups it is possible to bind molecules for specific applications. By applying classical aromatic chemistry, it was possible to nitrate and sulfonate the aromatic moieties. The sulfonic acid was partially reduced to a thiol. By reacting the thiol group it was possible to synthesize a mannose and dye modified nanodiamond Because the subsequent introduction of carboxylic groups is connected with a high synthetic effort an alternative carboxylic group carrying precursor was reacted with thermally annealed diamond. A surface coverage of 0.8 mmol g-1 was achieved (pristine diamond annealed at 750 °C). Subsequently, the carboxylic group was modified by introducing a Boc-protected diamine. Different methods for amide formation have been tested. As the most effective method the reaction using an acid chloride as an intermediate was identified. Using this coupling method, an almost complete conversion (about 94 – 88 %) of the acid group was possible. Another important functional group for the grafting of larger moities are the amines. They can easily be formed by e. g. the reduction a cyano group. Here 2,3-bis-(bromomethyl)-5,6-dicyanopyrazine was used as a precursor for the functionalization of the diamond. After subsequent reduction of the cyano groups, primary amines were obtained. The generated amino group have been reacted with biotin. So far the used o-quinodimethanes were solely accessible by 1,4-elimination. A reasonable alternative for these precursors is the use of a cyclobutene derivative. The advantage is an easier purification of the product. As a test compound 2,4-bis(methylsulfonyl)-5,6-dihydrocyclobuta-[d]-pyrimidine was used. After reaction with the diamond the thioether group was transformed into sulfones and in the 2-position the sulfone was replaced by an amino group. In addition to the functionalization reactions carried out in this work, a wet chemical method was developed for the quantification of primary amines on the diamond surface. An advantage of the developed method is that it can be easily carried out and only 1 - 2 mg of the diamond sample is needed. The obtained results show that through this detection method a reliable value of the exact amount of amine groups can be made.
KW  - Funktionalisierung <Chemie>
KW  - Festkörperoberfläche
KW  - Diels-Alder-Reaktion
KW  - Chinodimethane
KW  - Synthesediamant
KW  - Nanodiamant
KW  - Nanodiamond
KW  - Functionalisation
KW  - Diels-Alder reaction
KW  - o-Quinodimethane
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56229
ER  - 
TY  - THES
A1  - Meinhardt, Thomas
T1  - Effiziente Oberflächen-Funktionalisierung von Nanodiamant durch die Click-Reaktion von Alkinen und Aziden
T1  - Efficient surface functionalization of nanodiamond via click reaction of alkynes and azides
N2  - In dieser Arbeit wurde die Kupfer(I)-katalysierte Cycloaddition von Alkinen und Aziden ("Click-Chemie") als effiziente, vielseitige und milde Reaktion für die Funktionalisierung von Nanodiamantpartikeln etabliert. Es wurden verschiedene Alkin- oder Azid-funktionalisierte Nanodiamantsysteme hergestellt und deren Reaktivität in Click-Reaktionen anhand vielfältiger Beispiele demonstriert. Hierzu wurden neben einfachen Testverbindungen auch komplexere Substanzen (z. B. ein Mannose-Derivat, Polytriazole, Fluoreszenzfarbstoffe, ein Thiazolium-Organokatalysator) durch Triazolsynthese immobilisiert. Zusätzlich wurde eine Methode entwickelt, die die Herstellung funktionalisierter und vollständig dispergierter Nanodiamant-Primärteilchen ermöglicht, wobei gezeigt wurde, dass dieser Weg auch für die Funktionalisierung durch Click-Chemie geeignet ist. Die Analyse der Nanodiamantpartikel erfolgte u. a. durch FT-IR, TGA, Elementaranalyse, Partikelgrößen- und Zetapotentialbestimmung, NMR, HR-TEM, UV / Vis sowie Fluoreszenzspektroskopie und -mikroskopie.
N2  - In this work, the copper(I)-catalyzed cycloaddition of alkynes and azides ("click chemistry") was established as an efficient, versatile and mild reaction for the functionalization of nanodiamond particles. Different alkyne- or azide-functionalized nanodiamond systems were prepared and their reactivity in click reactions was demonstrated by various examples. For this purpose, simple compounds as well as more complex substances (e. g. a mannose derivative, polytriazoles, fluorescent dyes, a thiazolium organocatalyst) were immobilized via triazole synthesis. In addition, a method was developed that allows for the preparation of functionalized and completely dispersed nanodiamond primary particles. It was shown that this strategy is also suitable for the functionalization via click chemistry. The nanodiamond particles were analyzed by FT-IR, TGA, elemental analysis, particle size and zeta potential measurements, NMR, HR-TEM, UV / Vis, fluorescence spectroscopy and microscopy.
KW  - Funktionalisierung <Chemie>
KW  - Diamant
KW  - Click-Chemie
KW  - Partikel
KW  - Nanodiamant
KW  - nanodiamond
KW  - functionalization
KW  - click chemistry
KW  - particles
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66410
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TY  - THES
A1  - Waag, Thilo
T1  - Funktionalisierung von Nanodiamanten für Wirkstofftransport und Knochenersatzmaterialien
T1  - Functionalization of nanodiamonds for drug delivery and alternate bone material
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit ist das Design, die Synthese und das anschließende Testen von Nanodiamant-Wirkstoff-Konjugaten. Dafür müssen zunächst Nanodiamanten mit geeigneten Linkersystemen funktionalisiert werden, um
anschließend verschiedene pharmazeutische Wirkstoffe auf der Diamantoberfläche zu immobilisieren. Die Wirksamkeit der so angebundenen Inhibitoren auf die verschiedenen Erreger muss anschließend in vitro und in vivo getestet werden.
Auch die Art der Aufnahme der Nanodiamanten in die verschiedenen Zellen muss untersucht werden. Dazu sollen Fluoreszenzfarbstoffe, wie z.B. Oregon Green 488, auf der Diamantoberfläche immobilisiert werden.
N2  - Because of its low toxicity and rich surface chemistry nanodiamond is well suited for the application in the fields of biology and medicine. The aim of this work is the development of various nanodiamond conjugates as drug delivery systems and components of bone replacement materials.

Before the immobilization of drugs the nanodiamond particles need to be functionalized with acid labile linker systems, in this case hydrazones. After entering the acidic cell compartments the drug is released. First of all, the linkers are isolated as diazonium-tetrafluoroborates and after that immobilized on mechanically deagglomerated nanodiamond. The drugs can be bound to the hydrazine linker systems. In this work several drugs are immobilized to the nanodiamond surface via hydrazine linker systems and the drug release under acidic conditions is analyzed. Further compounds are immobilized for the investigation for future bone replacement materials, namely dyes and growth factors.
KW  - Nanodiamant
KW  - nanomateriales
KW  - nanotherapeutics
KW  - Diamant
KW  - Nanostrukturiertes Material
KW  - Wirkstofffreisetzung
KW  - Knochenersatz
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-94597
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TY  - THES
A1  - Sowik, Thomas
T1  - Assessment of the surface functionalization of SPION and DND nanomaterials for cellular uptake and fluorescence imaging
T1  - Abschätzung der Oberflächenfunktionalisierung von SPION und DND Nanomaterialien für die Zellaufnahme und Fluoreszenzimaging
N2  - The aim of this work was to synthesize and functionalize different bio-relevant nanomaterials like silica-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) as contrast agents for T2 magnetic resonance imaging (MRI) and detonation nanodiamond (DND) with the neurohormone peptide allatostatin 1 (ALST1) and a fluorescent dye. Analytical techniques for the determination and quantification of surface functional groups like amines, azides, and peptides were also developed and established.
Thus, in the first part of the work, a TGF-1 binding peptide and allatostatin 1 (ALST1), both supposed to act as active tumour targeting vectors, were synthesized by solid-phase peptide synthesis (SPPS) and characterized by high pressure liquid chromatography (HPLC) and mass spectrometry. Then, azide-functionalized silica nanoparticles were synthesized by the Stöber process and characterized by transmission electron microscopy (TEM) and infrared spectroscopy (IR). The surface loading of amine and azide groups was determined by a new protocol. The azide groups were reduced with sodium boronhydride to amine and then functionalized with Fmoc-Rink Amide linker according to a standard SPPS protocol. Upon cleavage of Fmoc by piperidine, the resulting dibenzofulvene and its piperidine adduct were quantified by UV/Vis spectroscopy and used to determine the amount of amine groups on the nanoparticle surface. Then, ALST1 and related tyrosine- and phenylalanine substituted model peptides were conjugated to the azide-functionalized silica nanoparticles by copper(I)-catalyzed azide-alkyne dipolar cycloaddition (CuAAC). The successful peptide conjugation was demonstrated by the Pauly reaction, which however is only sensitive to histidine- and tyrosine-containing peptides. As a more general alternative, the acid hydrolysis of the peptides to their individual amino acid building blocks followed by derivatization with phenyl isothiocyanate (PITC) allowed the separation, determination, and quantification of the constituent amino acids by HPLC. 
In the second part of the work, amine- and azide-functionalized silica-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) were synthesized by co-precipitation and subsequent silica-coated based on the Stöber process and characterized by TEM and IR. The amine surface loading was determined by the method already established for the pure silica systems. The azide surface loading could also be quantified by reduction with sodium boronhydride to amine groups and then conjugation to Fmoc-Rink amide linker. Upon cleavage of Fmoc with piperidine, the total amine surface loading was obtained. The amount of azide surface groups was then determined from the difference of the total amine surface loading and the amine surface loading. Thus, it was possible to quantify both amine and azide surface groups on a single nanoparticle system. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) are potent T2 contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). Due to their natural metabolism after injection into the blood stream, SPIONs mostly end up inside macrophages, liver, spleen or kidneys. To generate a potential target-specific SPION-based T2 contrast agent for MRI, the neurohormone peptide ALST1 was conjugated by CuAAC to the azide- and amine functionalized superparamagnetic iron oxide nanoparticles, since ALST1 is supposed to target difficult-to-treat neuroendocrinic tumours due to its analogy to galanin and somastatin receptor ligands. The organic fluorescent dye cyanine 5 (Cy5) was also conjugated to the silica-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) via a NHS-ester to the amines to enable cell uptake studies by fluorescence microscopy. These constructs were characterized by TEM, dynamic light scattering (DLS), and IR. The amino acids of the conjugated ALST1 were determined by the HPLC method as described before for peptide-modified silica nanoparticle surfaces. Then, the relaxivity r2 was measured at 7 T. However, a r2 value of 27 L/mmolFe·s for the dual ALST1-/Cy5-functionalized silica-coated SPIONs was not comparable to T2 contrast agents in clinical use, since their relaxivity is commonly determined at 1.5 T, and no such instrument was available. However, it can be assumed that the synthesized dual 
ALST1-/Cy5-functionalized silica-coated SPION would show a lower r2 at 1.5 T than at 7T. Commercial T2 MRI contrast agents like VSOP-C184 from Ferropharm show at r2 values of about 30 L/mmolFe·s at 1.5 T. Still, the relaxivity of the new material has some potential for application as a T2 contrast agent. Then, the material was used in cell uptake studies by fluorescence microscopy with the conjugated Cy5 dye as a probe. The dual 
ALST1-/Cy5-functionalized silica-coated SPION showed a high degree of agglomeration with no cellular uptake unlike described for ALST1-functionalized nanoparticles in literature. It is assumed that upon agglomeration of the particles, constructs form which are unable to be internalized by the cellular endocytotic pathways anymore. As a future perspective, the tendency of the particle to agglomerate should be reduced by changing the coating material to polyethylene glycol (PEG) or chitosan, which are known to be bio-compatible, bio-degradable and prevent agglomeration.
In the third part of the work, the rhenium compound [ReBr(CO)3(L)] with L = 2-phenyl-1H-imidazo[4,5-f][1,10]phenanthroline and its manganese analogue were synthesized by heating the ligand and rhenium pentacarbonyl bromide or and manganese pentacarbonyl bromide respectively, in toluene. However, [MnBr(CO)3(L)] was unstable upon illumination by UV light at 365 nm. Thus, it was dismissed for further application. The photophysical properties of [ReBr(CO)3(L)] were explored, by determination of the excited-state life time by the time-correlated single-photon counting (TCSPC) method and the quantum yield by a fluorescence spectrometer equipped with an integration sphere. A value of  = 455 ns, a Stokes shift of 197 nm and a rather low quantum yield =were found. Metal complexes are supposed to have superior properties compared to organic dyes due to their large Stokes shifts, long excited-state life times, and high quantum yields. Thus, amine- and azide-functionalized detonation nanodiamond (DND) as an alternative biological inert carrier system was functionalized with ALST1 to enhance its cell uptake properties. A luminescent probe for cell uptake studies using fluorescence microscopy was also attached, either based on the new rhenium complex or the commercially available organic dye Cy5, respectively. The aldehyde-functionalized rhenium complex was conjugated to the DND via oxime ligation, which is known to be a mild and catalyst-free conjugation method. The amount of peptide ALST1 on the DND was analyzed and quantified after acid hydrolysis and PITC derivatization by HPLC as described before. Then, the ALST1-/luminescent probe-functionalized DND was investigated for its photophysical properties by fluorescence spectroscopy. The Cy5-functionalized material showed a slightly lower fluorescence performance in aqueous solution than reported in literature and commercial suppliers with a life time  < 0.4 ns and quantum yields not determinable by integration sphere due to the week signal intensity. The rhenium complex-functionalized material had a very low signal intensity in only aqueous medium, and thus determination of life times and quantum yield by fluorescence spectroscopy was not possible. After incubation with MDA-MB 231 cells, the Cy5-functionalized DND could easily be detected due to its red fluorescence. However, it was not possible to visualize the rhenium complex-functionalized DND with fluorescence microscopy due to the low fluorescence intensity of the complex in aqueous medium and the lack of proper filters for the fluorescence microscope. Cy5-functionalized DND did not show any cellular uptake in fluorescence microscopy after conjugation with ALST1. Since the nanodiamond surface is known to strongly adsorb peptides and proteins, it is assumed that the peptide chain is oriented perpendicular to the nanoparticle surface and thus not able to interact with cell membrane receptors to promote cell uptake of the particles. As a future perspective, the ALST1-promoted cellular uptake of the DND should be improved by using different linker systems for peptide conjugation to prevent adsorption of the peptide chain on the particle surface.
The new analytical methods for amino-, azide-, and peptide-functionalized nanoparticles have great potential to assist in the quantification of nanoparticle surface modifications by UV/Vis spectroscopy and HPLC. The determination of surface amine and azide groups based on the cleavage of conjugated Fmoc-Rink amide linker and detected by UV/Vis spectroscopy is applicable to all amine-/azide-functionalized nanomaterials. However, particles which form very stable suspension with the cleavage mixture can cause quantification problems due to scattering, making an accurate quantification of dibenzofulvene and its piperidine adduct impossible. The detection of tyrosine- and histidine-containing peptides based on the Pauly reaction is well-suited as a fast and easy-to-perform qualitative demonstration of successful peptide surface conjugation. However, its major drawback as a colourimetric approach is that coloured particles cannot be evaluated by this method. The amino acid analysis based on HPLC after acid hydrolysis of peptides conjugated to nanoparticle surfaces to its individual building blocks and subsequent derivatization with PITC, can be used on all nanomaterials with peptide or protein surface modification. It allows detection of amino acids down to picomolar concentrations and even enables analysis of very small peptide surface loadings. However, the resulting HPLC traces are difficult to analyze.
Three new analytical methods based on UV/Vis and HPLC techniques have been developed and established. They assisted in the characterization of the synthesized DND and SPIONs with dual functionalization by ALST1 and Cy5 or [ReBr(CO)3(L)], respectively. However, the nanomaterials showed no cellular uptake due to a high tendency to agglomerate. The cellular uptake should be improved and the tendency to agglomerate of the SPIONs should be reduced by changing the surface coating from silica to either PEG or chitosan. Furthermore, different linker systems for connecting peptides to DND surfaces should be synthesized and evaluated to reduce potential peptide chain adsorption.
N2  - Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese und Funktionalisierung biologisch relevanter Nanomaterialien wie die Silica-umhüllten superparamagnetischen Eisenoxid Nanopartikel (SPIONs) als Kontrastmittel für T2 gewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) und Detonantionsnanodiamant mit dem Neurohormonpeptid Allatostatin 1 (ALST1) sowie einem Fluoreszenzfarbstoff. Des Weiteren sollten analytische Methoden zur Bestimmung und Quantifizierung von funktionellen Oberflächenmodifikationen wie Amine, Azide und Peptide entwickelt und etabliert werden.
Aus diesem Grund wurden im ersten Teil der Arbeit ein TGF-1 bindendes Peptid und Allatostatin 1 (ALST1), welche beide spezifisch Tumorgewebe anzielen, mit Hilfe der Festphasen Peptid Synthese (SPPS) hergestellt und durch HPLC und Massenspektrometrie charakterisiert. Danach wurden Azid-funktionalisierte Silica-Partikel durch den Stöber Prozess hergestellt und mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Infrarot Spektroskopie (IR) charakterisiert. Die Oberflächenbeladung von Aminen und Aziden wurde mit einer neuen Methode bestimmt. Azidgruppen wurden mit Natriumborhydrid zu Aminen reduziert und anschließend mit dem Fmoc-Rink Amid Linker unter Verwendung des allgemeinen SPPS Verfahrens. Durch die Abspaltung von Fmoc mit Piperidin wurden Dibenzofulven und sein Piperidin-Adduct gebildet und mit Hilfe von UV/Vis Spektroskopie quantifiziert um die Oberflächenbeladung der Amino-Gruppen auf den Nanopartikeln zu bestimmen. Danach wurden ALST1 und verwandte Tyrosin- und Phenylalanin- substituierte Modellpeptide synthetisiert und durch die Kuper(I)-katalysierte Azid-Alkin dipolare Cycloaddition (CuAAC) an die Oberfläche der Silica-Partikel konjugiert. Die erfolgreiche Peptidkonjugation wurde mit Hilfe der Pauly Reaktion, welche jedoch ausschließlich auf Tyrosin- und Histidin-haltige Peptide und Proteine anwendbar ist, nachgewiesen. Als eine universellere Alternative wurden die Peptid-konjugierten Nanomaterialien mit konzentrierter Salzsäure hydrolysiert und anschließend mit Phenylisothiocyanat (PITC) derivatisiert, was die Trennung, Bestimmung und Quantifikation der individuellen Aminosäuren des Peptids durch HPLC ermöglichte.
In dem zweiten Teil dieser Arbeit wurden Amin- und Azid-funktionalisierte Silica-umhüllte superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel (SPIONs) durch Co-Präzipitation und anschließender Silica-Ummantelung basierend auf dem Stöber Prozess synthetisiert und mit Hilfe von TEM und IR charakterisiert. Die Oberflächenbeladung der Aminogruppen wurde an Hand der bereits etablierten Methode für Silica-Partikel bestimmt. Die Oberflächenbeladung der Azidgruppen wurde quantifiziert durch deren Reduktion mit Natriumborhydrid zu Aminogruppen und der darauf folgenden Verknüpfung mit dem Fmoc-Rink Amid Linker. Durch die Abspaltung des Fmoc mit Piperidin und dessen Quantifizierung durch UV/Vis Spektroskopie wurde so die gesamte Aminogruppen Oberflächenbeladung erhalten. Die Oberflächenbeladung mit Azidgruppen wurde dann durch die Differenz aus gesamter Amin- und tatsächlicher Amin-Oberflächenbeladung berechnet. Auf diese Weise war es möglich die Oberflächenbeladung sowohl von Aminen, als auch von Aziden an nur einem einzigen Nanopartikelsystem zu bestimmen. SPIONs können als Kontrastmittel für T2-gewichtete MRT Messungen verwendet werden. Jedoch werden sie auf Grund ihres Metabolismus nach der Injektion ins Blutsystem von Makrophagen, Leber, Milz und Niere aufgenommen. Um ein potentielles, gewebespezifisches SPION-basiertes Kontrastmittel für T2-gewichtete MRT Messungen zu erzeugen wurde das Neurohormonpeptid ALST1 mit Hilfe der CuAAC an die Azid-/Amin-funktionalisierten Silica-ummantelten SPIONs konjugiert, da von ALST1 eine Spezifität auf schwierig zu behandelnde neuroendokrine Tumore  vermutet wird, auf Grund seiner Ähnlichkeit zu Galanin und Somastatin Rezeptorliganden. Der organische Fluoreszenzfarbstoff Cyanin 5 (Cy5) wurde ebenfalls an den Azid-/Amin-funktionalisierten Silica-ummantelten SPIONs über einen NHS-Ester konjugiert um Zellaufnahmestudien mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie zu ermöglichen. Diese Materialien wurden mit TEM, dynamischer Lichtstreuung (DLS) und IR charakterisiert. Die Aminosäuren des konjugierten ALST1 wurden an Hand der bereits für Silica-Partikel beschriebenen HPLC-Methode bestimmt. Danach wurde die Relaxivität r2 bei 7 T gemessen. Leider sind der gemessene Wert von 27 L/mmolFe·s für das duale System ALST1-/Cy5-functionaliserte Silica-ummantelte SPIONs nicht mit klinisch verwendete T2 Kontrastmittel zu vergleichen, da diese bei einer Feldstärke von 1.5 T verwendet werden. Es ist jedoch anzunehmen, dass das synthetisierte Nanopartikelsystem bei 1.5 T eine geringere Relaxivität r2 zeigen würde als bei 7 T. Jedoch zeigen kommerzielle Kontrastmittel für T2-gewichtete MRT Messungen wie zum Beispiel VSOP-C184 von Ferropharm r2 Werte um die 30 L/mmolFe·s. Von daher hat das neue Material durchaus Potential als Kontrastmittel für T2-gewichtete MRT Messungen. Danach wurde das Material auf seine Zellaufnahme mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie unter Verwendung des konjugierten Cy5 als Sonde untersucht. Die dualen ALST1-/Cy5-functionaliserte Silica-ummantelte SPIONs wurden mit MDA-MB 231 Zellen inkubiert, zeigten jedoch einen hohen Grad an Agglomeration, wobei große Konstrukte gebildet wurden die nicht mehr durch die zellularen Endozytosewege internalisiert werden konnten. Für weitere Anwendungen muss die Tendenz der Partikel zur Agglomeration verringert werden. Dies kann durch einen Wechsel der Hülle von Silica zu Polyethylenglykol (PEG) oder Chitosan erreicht werden, welche dafür bekannt sind Agglomeration zu verhindern als auch biologisch kompatibel, abbaubar zu sein. Im dritten Teil der Arbeit wurde die Rheniumverbindung [ReBr(CO)3(L)] mit L = 2-Phenyl-1H-imidazo[4,5-f][1,10]phenanthrolin und ihr Mangan-Analogon synthetisiert durch Erhitzen des Liganden und Bromopentacarbonylrhenium, beziehungsweise Bromopentacarbonyl-mangan, in Toluol. Der Komplex [MnBr(CO)3(L)] wurde jedoch wegen seiner Instabilität bei Belichtung mit UV-Licht der Wellenlänge 365 nm für weitere Anwendungen verworfen. Die photophysikalischen Eigenschaften von [ReBr(CO)3(L)] wurden untersucht durch die Bestimmung der Lebenszeit des angeregten Zustandes mit der time-correlated single-photon counting (TCSPC) Methode und die Quantenausbeute mit Hilfe eines Fluoreszenzspektrometers welches mit einer Integrationsphäre ausgerüstet war. Ein Wert von  = 455 ns, einem Stokes shift von 197 nm und eine eher niedrige Quantenausbeute  = 0.05 wurden ermittelt. Es wird behauptet, dass Metallkomplexe den organischen Fluoreszenzfarbstoffen überlegende Stokes shifts, Lebenszeiten des angeregten Zustandes sowie Quantenausbeuten haben. Aus diesem Grund wurde der Amino- und Azid-funktionalisierte DND mit ALST1, auf Grund seiner Eigenschaft die Zellaufnahme zu verstärken, funktionalisiert. Des Weiteren wurde eine Fluoreszenzsonde für Zellaufnahmestudien unter Verwendung von Fluoreszenzmikroskopie und die Partikeloberfläche konjugiert, welche entweder auf [ReBr(CO)3(L)] oder Cy5 basierten. Die Aldehyd-funktionalisierte Rheniumverbindung wurde über die Oxime Ligation an den Nanopartikel konjugiert, welche als milde und Katalysator-freie Konjugationsmethode bekannt ist. Die Menge des Peptids ALST1 auf der DND Oberfläche wurde durch HPLC nach saurer Hydrolyse und Derivatisierung mit PITC wie zuvor beschrieben analysiert und quantifiziert. Danach wurden die dualen ALST1-/Lumineszenzsonde-funktionalisierten DND in Bezug auf ihre photophysikalischen Eigenschaften mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Das Cy5-funktionaliserte Material zeigte in wässrigem Medium etwas geringere Lebenszeit des angeregten Zustandes mit  < 0.4 ns als in der Literatur beschrieben und eine nicht bestimmbare Quantenausbeute durch die Integrationssphäre auf Grund der schwachen Emissionsintensität. Das [ReBr(CO)3(L)]-funktionalisierte Material zeigte eine sehr geringe Emissionsintensität in wässrigen Medium, welche es unmöglich machte die Lebenszeit des angeregten Zustandes und die Quantenausbeute zu bestimmen. Es war nicht möglich das Rhenium Komplex-funktionalisierte Material auf Grund seiner geringen Emissionsintensität in der Fluoreszenzmikroskopie nach Inkubation mit MDA-MB 231 Zellen zu visualisieren. Nach der Inkubation des Cy5-functionalisierten DND mit MDA-MB 231 Zellen, konnte das Material sehr gut auf Grund seiner roten Fluoreszenz identifiziert werden. Jedoch zeigte es keine Internalisierung in die Zellen nach Konjugation mit ALST1. Es wird vermutet dass die Peptidkette flach auf die Nanodiamantoberfläche, welche für ihre starke, nicht-kovalente Interaktion mit Proteinen und Peptiden bekannt ist, adsorbiert ist. Für zukünftige Anwendungen muss die ALST1-vermittelte Zellaufnahme der Detonationsnanodiamanten verbessert werden. Dies kann erreicht werden durch die Verwendung anderer Linker-Systeme zur Verbrückung von Peptid und Partikeloberfläche um Adsorption zu verhindern.
Die neuen analytischen Methoden für Amino-, Azid-, und Peptid-funktionalisierte Nanopartikel haben großes Potential in der Quantifizierung von Oberflächenmodifikationen von Nanopartikeln durch HPLC und UV/Vis. Die Bestimmung von Oberflächenbeladungen von Amin- und Azidgruppen basierend auf der Abspaltung von konjugiertem Fmoc des Fmoc-Rink Amid Linkers und Detektion durch UV/Vis Spektroskopie ist anwendbar auf alle Amin- und Azid-funktionalisierten Nanomaterialien. Jedoch kann es bei Partikeln welche besonders stabilen Suspensionen mit der Abspaltlösung bilden zu Problemen in der Quantifikation von Dibenzofulven und seinem Piperidin Addukt mittels UV/Vis Spektroskopie auf Grund von Streuung kommen. Die Detektion von Tyrosin- und Histidin-enthaltenden Peptiden auf Nanopartikeloberflächen auf Grundlage der Pauly Reaktion ist besonders geeignet als schneller und einfach durchzuführender qualitativer Nachweis für die erfolgreiche Konjugation von Peptiden auf Nanopartikeloberflächen. Der Hauptnachteil ist jedoch, dass Partikel mit Eigenfarbe nicht verwendet werden können. Die Aminosäureanalyse auf Grundlage von HPLC nach saurer Hydrolyse von Peptid-funktionalisierten Nanomaterialien und anschließender Derivatisierung mit PITC kann für alle Peptid- oder Protein-modifizierten Nanomaterialien verwendet werden. Es ermöglicht die Detektion von bis zu pikomolaren Konzentrationen und damit die Quantifizierung sehr geringe Oberflächenbeladungen mit Peptiden und Proteinen. Jedoch sind die resultierenden HPLC Chromatogramme schwierig zu interpretieren.
Drei neue analytische Methoden auf der Grundlage von UV/Vis und HPLC Techniken wurden entwickelt und etabliert. Sie halfen bei der erfolgreichen Charakterisierung der synthetisierten DND und SPIONs mit dualer Funktionalisierung durch ALST1 und Cy5, beziehungsweise [ReBr(CO)3(L)]. Jedoch zeigten die Nanomaterialien auf Grund der hohen Tendenz zur Agglomeration keine Zellaufnahme. Das weitere Vorgehen umfasst die Verbesserung der Zellaufnahme durch ersetzen der Silica-Hülle der SPIONs mit PEG oder Chitosan. Bei den DND müssen andere Linkersysteme in Betracht gezogen und dann synthetisiert werden, welche die Adsorption der Peptidkette auf der Oberfläche des Partikels verhindern.
KW  - Nanopartikel
KW  - Bioanorganische Chemie
KW  - Peptide
KW  - SPION
KW  - Nanodiamond
KW  - Neuropeptide Hormone
KW  - Particle analytics
KW  - fluorescence
KW  - SPION
KW  - Nanodiamant
KW  - Neuropeptidhormon
KW  - Partikelanalytik
KW  - Fluoreszenz
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-103709
ER  - 
TY  - THES
A1  - Betz, Patrick Peter
T1  - Immobilisierung von Kohlenhydratbausteinen auf Nanodiamant-Partikeln mit Hilfe von C-C-Verknüpfungsreaktionen
T1  - Immobilization of saccharides on nanodiamond particles by C-C bond formation reactions
N2  - In dieser Arbeit wurde die Erstfunktionalisierung des Diamanten durch die Diels-Alder-Reaktion realisiert und anschließend ein Thiol als weiterführende Bindungsstelle etabliert. Die Thiolfunktion konnte in einer radikalischen Reaktion mit einem terminalen Alken umgesetzt werden. Als Reaktionspartner wurde ein Allylglucosid synthetisiert und mit Hilfe eines Radikalstarters an den Diamanten gebunden. Für nicht-radikalische Verknüpfungsreaktionen eines vorfunktionalisierten Diamanten mit dem Zielmolekül konnte die Diazoniumsalz-Methode genutzt werden. Die Wahl der 4 Aminobenzoesäure als Edukt der Reaktion erlaubte in einer einstufigen Reaktion die Einführung einer Carbonsäuregruppe auf der Oberfläche. Durch Umsetzung mit einem Amin (Mannosecluster) konnte eine stabile Amidbindung erzeugt werden. Die erhaltenen Saccharid-Diamant-Konjugate wurden anschließend auf deren Inhibitionsvermögen gegenüber Escherichia coli getestet. Um eine Erweiterung der Methoden zur stabilen Erstfunktionalisierung der Diamantoberfläche zu erreichen, wurde untersucht ob die aus der Fulleren-Chemie bekannte Bingel-Hirsch-Reaktion auf Nanodiamant übertragbar ist. Für die Untersuchungen am Diamanten wurden unterschiedliche Malonsäurederivate eingesetzt, welche signifikante Banden im Infrarotspektrum besitzen, um eine eindeutige Funktionalisierung nachweisen zu können.
N2  - In this work primary functionalization of nanodiamond was realized by [4+2]-cycloaddition of o-chinodimethane. In the next steps thiol groups could be established for further functionalisation. The thiol group serves as a binding position for a radical reaction with allyl groups. As a reactant allylglycoside was synthesized and bound to the diamond surface in the presence of a radical starter. The diazonium salt method can be applied in order to couple the target molecule with the functionalized diamond, too. 4-aminobenzoic acid as starting material allows for a direct introduction of a carboxyl group on the diamond surface. An amide bond could be created by reaction of primary amine (carbohydrate cluster) and acid group. After completion of the synthesis of the saccharide-diamond conjugates their potency as inhibitor of Escherichia coli was tested. In order to extend the methods for stable functionalization of the diamond surface, the ability of introducing the Bingel-Hirsch-reaction, which is known from the chemistry of fullerenes, was investigated. Different malonic acid derivates with significant IR bands were applied for the investigation on diamond.
KW  - Synthesediamant
KW  - Festkörperoberfläche
KW  - Funktionalisierung <Chemie>
KW  - Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung
KW  - Nanodiamant
KW  - Bingel-Hirsch-Reaktion
KW  - Oberflächenfunktionalisierung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-106421
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heyer, Steffen
T1  - Herstellung dotierter Nanodiamantpartikel und ihre Funktionalisierung mit schwefelhaltigen Gruppen
T1  - Synthesis of doped nanodiamonds and their functionalization with sulfur-containing groups
N2  - In dieser Dissertation werden Methoden zur Darstellung von Stickstoff- und Bor-dotierten Nanodiamantpartikeln durch Vermahlung von makroskopischem HPHT- und CVD-Diamant mit unterschiedlichen Mühlen und Mahlverfahren beschrieben. Untersucht wird dabei der Zusammenhang von erzielten Teilchengrößen nach dem Mahlen und den Kristallitgrößen der Ausgangsdiamanten sowie der angewandten Mahlmethode. Durch Anwendung verschiedener oxidativer Methoden wird während des Mahlens entstehender sp2-Kohlenstoff entfernt. Ebenfalls wird deren Einfluss auf das Fluoreszenzverhalten NV-haltiger Nanodiamantpartikel analysiert.
Des Weiteren werden Syntheserouten zur kontrolliert ablaufender Oberflächenflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mit schwefelhaltigen Gruppen wie Thiolen, Trithiocarbonaten und Disulfiden gezeigt, welche eine selektive Anbindung der Diamantpartikel an Goldstrukturen ermöglicht. Diese Verfahren werden an Detonationsdiamant sowie fluoreszierendem HPHT- und CVD-Diamantpartikeln angewandt. Gegebenfalls kann nach erfolgreicher Anbindung fluoreszierender Nanodiamantpartikel an Goldnanostrukturen unter Ausnutzung von Plasmonenresonanz die einzigartigen Spineigenschaften der NV-Zentren mit Hinblick auf einen möglichen Einsatz Stickstoff-dotierter Diamantnanopartikel in der Quanteninformationsverarbeitung untersucht werden.
N2  - This dissertation presents methods to create nitrogen and boron doped nanodiamond particles by milling macroscopic HPHT- and CVD-diamond in different milling procedures. In this context, the correlation between resulting particle sizes after the milling with the crystallite sizes of the diamond starting material and the applied milling method is investigated. By application of different oxidative methods, sp2 carbon, that was created in the milling process, can be removed. In addition, the influence of the oxidation processes on the fluorescence properties of NV-are analysed.
Furthermore, synthetic pathways for a controlled surface grafting of nanodiamond with sulfur containing groups like thiols, trithiocarbonates and disulfides which enable the functionalized diamonds to bind selectivly on gold surfaces are developed within this thesis. The syntheses are applied to detonation diamond aswell as fluorescent HPHT- and CVD-diamond. After a successful attachment of the functionalized nanodiamonds to goldnanostructures, the unique spinproperties of NV-centers can be studied with regard to a possible application of N-doped diamond nanoparticles in quantum computing.
KW  - Diamant
KW  - Nanopartikel
KW  - Dotierung
KW  - Mahlen
KW  - Nanodiamant
KW  - nanodiamond
KW  - boron-doped diamond
KW  - Oberflächenfunktionalisierung
KW  - Schwefel-Funktionalisierung
KW  - Vermahlung
KW  - NV-Zentren
KW  - Bor-dotiert
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123465
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schweeberg, Sarah
T1  - Biomedizinische Anwendung von Nanodiamant: Untersuchungen zu den Wechselwirkungen mit der biologischen Umgebung und zur gezielten Wirkstofffreisetzung
T1  - Biomedical applications of nanodiamond: Examinations of the interactions with the biological environment and controlled drug release
N2  - Nanodiamant bietet in der Medizin und in der Biologie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten aufgrund der guten Biokompatibilität und geringen Toxizität. Durch die umfangreichen Funktionalisierungsmöglichkeiten der Oberfläche der nanometergroßen Partikel können viele unterschiedliche Wirkstoffe, Rezeptormoleküle oder Peptidsequenzen angebunden werden ,die zusammen mit Nanodiamant ein anderes, durchaus besseres Wirkprofil aufweisen als der Wirkstoff allein. Ziel dieser Arbeit war die Synthese eines pH-labilen Linkersystems, dass hydroxylhaltige Wirkstoffe kovalent bindet und zusammen mit Nanodiamant in die Zelle, in der ein saurer pH-Wert herrscht, eingeschleust werden. Über die Änderung des pH-Wertes in der Zelle soll der Wirkstoff freigesetzt werden und seine Wirkung entfalten können. 
Weiterhin wurde ein pH-labiles Linkersystem auf der Basis eines Hydrazons hergestellt. Über das synthetisierte Hydrazinderivat können Wirkstoffe, die über eine Aldehyd- oder Ketonfunktion verfügen angebunden werden und pH-labil in der Zelle freigesetzt werden. Zusätzlich trägt der Nanodiamant ein kovalent angebundenes Targeting-Molekül, welches eine verbesserte Adressierung der Wirkorte gewähr¬leisten soll. Die Freisetzung wurde mittels UV-Vis-Spektroskopie detektiert und ausgewertet.
Neben der spezifischen Funktionalisierung von Nanodiamant besitzt auch die Interaktion der Nanodiamantpartikel mit biologischen Medien eine besondere Bedeutung für zukünftige biomedizinische Anwendungen. Wenn die Partikeloberfläche durch Proteinadsorption gegenüber dem Wirkort abgeschirmt wird, so kann der angebundene Wirkstoff gegebenenfalls nicht freigesetzt werden und somit nicht seine Wirkung entfalten und bleibt letztlich ungenutzt. So war es von besonderem Interesse die Wechselwirkungen von Nanodiamant in Humanserum und auch weiteren physiologischen Medien zu untersuchen. Dabei wurden sowohl freie Nanodiamantpartikel als auch solche, die auf klinisch bereits eingesetzten Gerüstmaterialien im Bereich der Therapie großer Knochendefekte adsorbiert waren, untersucht. Auch wurden die Wechselwirkungen von Nanodiamant mit der physiologischen Umgebung untersucht, die zur Agglomeration der Nanopartikel führen können. Es wurde ein unter¬schiedliches Agglomerationsverhalten der Nanodiamanten in wässriger Umgebung verglichen mit Nanodiamanten in physiologischen Medien sowie deren Stabilität im Serum beobachtet. 
Durch die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen konnten wichtige Erkenntnisse zur Wechselwirkung verschieden präparierter und funktionalisierter Nanodiamanten mit physiologisch relevanten Umgebungen sowie zu stimuli-responsiven Wirkstofffreisetzung aus Nanodiamant-Konjugaten gewonnen werden. Zudem wurde mit der Untersuchung der angelagerten Proteine um Nanodiamant ein erster Schritt in Richtung eines umfassenden Verständnisses der Wechselwirkung dieses Materials mit biologischen Umgebungen unternommen. Auch wenn diese Wechselwirkungen sehr komplex sind, so sind erste Aussagen bezüglich der Art der angelagerten Proteine möglich. Erste Versuche der Stabilisierung von Nanodiamant in physiologischen Medien wurden ebenfalls erfolgreich durchgeführt und zeigen eine effiziente und einfache Möglichkeit, Nanodiamant in biologischen Medien vor der Agglomeration zu bewahren. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse bezüglich mehrfacher Funktionalisierungsmöglichkeiten von Nanodiamant sowie dessen Stabilisierung in physiologischen Medien zeigen die breite Anwendungsmöglichkeit und das enorme Potential von Nanodiamant im Bereich medizinischer und biologischer Anwendungen auf.
N2  - Nanodiamond offers various possible applications in medicine and biology because of its good biocompatibility and low toxicity. Due to the extensive opportunities functionalizing the surface of the nanosized particles it is possible to bind a lot of different active pharmaceutical ingredients (API), receptor molecules or peptide sequences. This functionalization can result in an improved efficacy compared to the profile of the drug alone. The aim of this thesis was the synthesis of a pH-labile linkersystem which covalently binds hydroxyl group-containing APIs and transfer them together with nanodiamond into the cells, where an acidic environment is predominant. Because of the change of the pH-value the drug gets released and can take its effect. 
Furthermore, a pH-labile linkersystem based on the formation of a hydrazon bond was synthesized. APIs containing an aldehyde or a ketone can be linked to the synthesized hydrazine derivative 70 and be released in cells due to the acid-labile bond. Additionally, the nanodiamond has a covalently bound targeting molecule to assure an improved uptake into the cell. The release of Doxorubicin was detected and evaluated via UV-Vis-spectroscopy.
Besides the specific functionalization, the interaction of nanodiamond particles with biological media is gaining more and more importance regarding future biomedical applications. If the particle surface is shielded with proteins it is possible that the linked drug cannot be released, remains unused and cannot develop its desired effect. Because of this reason it was of main interest to examine the interactions of nanodiamond in human serum and further physiological media. Nanodiamond without further functionalization were analysed as well as nanodiamonds which are adsorbed on materials that are already in clinical usage in the field of greater bone defects. The interactions of nanodiamond with a physiological environment which can lead to the agglomeration of the particles was also examined. A different agglomeration bahaviour of nanodiamond in aqueous media was compared to nanodiamond in physiological media as well as their stability in serum. 
Due to the presented studies in this thesis important insights into the interactions of functionalized and different prepared nanodiamonds with physiological relevant environments as well as with stimuli-responsive drug release from nanodiamond conjugates were obtained. Furthermore, the examinations of the attached proteins around nanodiamond is the first step getting towards a better comprehensive understanding of the interactions of this material with its biological environment. Even if these interactions are very complex, first statements according to the type of attached proteins are possible. First trials of stabilizing nanodiamond in physiological media have been carried out successfully and demonstrate an easy and effective way to hinder agglomeration of nanodiamond in biological media. Finally, the insights gained in this thesis regarding the multiple possibilities of nanodiamond as well as their stabilization in physiological media offers a broad range of applications and the tremendous potential of nanodiamond in the field of medical and biological research.
KW  - Nanopartikel
KW  - nanodiamond
KW  - Wirkstofffreisetzung
KW  - drug release
KW  - Diamant
KW  - Wirkstofffreisetzung
KW  - Nanodiamant
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174619
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wachtler, Stefan
T1  - Synthese und Charakterisierung von funktionalisierten Nanodiamantmaterialien für biomedizinische Anwendungen
T1  - Synthesis and characterization of functionalized nanodiamond particles for biomedical applications
N2  - In dieser Arbeit ist die Synthese von funktionalisiertem Nanodiamant mit bioaktiven Substanzen, welche vor allem als Wirkstofftransporter eingesetzt werden sollen, beschrieben. Dazu werden zum einen bereits bekannte Anbindungsmöglichkeiten an Nanodiamant, wie zum Beispiel die Klick-Reaktion, sowie die Ausbildung von Amidbrücken verwendet. Zum anderen werden neuartige Funktionalisierungsmöglichkeiten wie Protein Ligation und Thioharnstoffbrücken verwendet und somit das Repertoire an bekannten Anbindungsreaktion erweitert.
Des weiteren wurde ein multifunktionales Nanodiamantsystem synthetisiert. Dieses ist in der Lage, zwei verschiedene Moleküle auf einem Partikel zu immobilisieren.  Die verwendeten Methoden ermöglichen die Anbindung verschiedener Substanzen aus unterschiedlichen Molekülgruppen an Nanodiamanten und sind somit universell einsetzbar.
N2  - Because of its unique physical and chemical properties, nanodiamond can be used in a variety of scientific fields, such as in medical and biological research. In this thesis, new ways to covalently bind substances to the nanodiamond surface have been explored, which also can be used in biological systems. ...
KW  - Synthesediamant
KW  - Funktionalisierung <Chemie>
KW  - Fluoreszenz
KW  - Krebs <Medizin>
KW  - nanodiamond
KW  - Nanodiamant
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-210757
ER  - 
TY  - THES
A1  - Merz, Viktor
T1  - Funktionalisierung und Untersuchung von Nanodiamanten für biomedizinische und sensorische Anwendungen
T1  - Functionalization and Investigation of Nanodiamonds for Biomedical and Sensor Applications
N2  - Nanodiamant (ND) ist ein vielseitiges und vielversprechendes Material für Bio-Anwendungen. Trotz vieler Bemühungen bleibt die Agglomeration von Nanodiamant und die unspezifische Adsorption von Proteinen an der ND-Oberfläche bei Kontakt mit Bioflüssigkeiten ein großes Hindernis für biomedizinische Anwendungen. Eine Auswahl verzweigter und linearer Moleküle mit überlegener Fähigkeit zur kolloidalen Stabilisierung von Nanopartikeln in Salz- und Zellmedienumgebung, für bis zu 30 Tage, wurde an die ND-Oberfläche angebracht. 

Das Baukastensystem mit Azid als Außengruppen bietet eine große Vielfalt an Bindungen mit vielen Molekülen, wie z. B. Medikamenten, Farbstoffen oder Targeting-Molekülen. Das Anhängen von z. B. Zwitterionen an die Kette schützt die ND-Oberfläche vor der Bildung einer Proteinkorona, wenn die Partikel mit proteinhaltigen Bioflüssigkeiten in Kontakt kommen. 

Die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse der Beladung der ND-Oberfläche zeigen eine signifikante Verhinderung der Proteinadsorption von bis zu 98 % im Vergleich zu NDs ohne zwitterionische Kopfgruppen und eine lange kolloidale Stabilität, wenn Tetraethylenglykol (TEG) an die Oberfläche gebunden wird. 

Die Vielseitigkeit des modularen Systems, um nicht nur zwitterionische Ketten, sondern auch klickbare funktionelle Moleküle an fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) zu binden, zeigt das Potenzial des Systems am Nanodiamanten. Unter Verwendung von Defektstrukturen, wie Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV), können Diamantpartikel aufgrund ihres weitgehend ungiftigen Verhaltens als fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) für photostabile Markierung, Bioimaging und nanoskalige Sensorik in lebenden Zellen und Organismen verwendet werden. Um die fND-Oberfläche zu funktionalisieren, wurde eine neuartige Mahltechnik mit Diazoniumsalzen etabliert, um ein Pfropfen auf wenig reaktive HPHT-fNDs durchzuführen, was zu einer hohen Oberflächenbeladung und einem hohen negativen Zetapotenzial führt. 

Die Kombination der Vorteile von TEG und zwitterionhaltigen Gruppen mit der Fähigkeit zum Targeting von Antikörpern auf fND bestätigt zum ersten Mal die verbesserte kolloidale Stabilität in Experimenten mit lebenden Zellen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse auf eine verbesserte Corona-Abstoßung im Vergleich zu fND ohne zwitterionhaltige Kopfgruppen hin. Infolgedessen wurden die Zirkulationszeiten von 4 (fND ohne Zwitterionenkette, aber mit Antikörper) auf 17 (mit Antikörper und Zwitterionenketten) Stunden vergrößert. 

In nicht-biomedizinischen Anwendungen kann das modulare System als Sonde für Schwermetalle durch die Anbindung von Farbstoffen verwendet werden. Die Detektion von Metallen in verschiedenen Umgebungen mit hoher Selektivität und Spezifität ist eine der Voraussetzungen für den Kampf gegen die Umweltverschmutzung mit diesen Elementen. Pyrene sind gut geeignet und weit bekannt für die Fluoreszenzsensorik in verschiedenen Medien. Das angewandte Sensorprinzip beruht typischerweise auf der Bildung von intra- und intermolekularen Excimeren, was jedoch den Empfindlichkeitsbereich aufgrund der Maskierung von z.B. Quenching-Effekten durch die Excimer-Emission einschränkt. Diese Studie zeigt einen hochselektiven, strukturstabilen chemischen Sensor, der auf der monomeren Fluoreszenz von Pyrenanteilen mit Triazolgruppen basiert. 

Dieser Sensor kann Cu2+, Pb2+ und Hg2+ in organischen Lösungsmitteln über einen weiten Konzentrationsbereich quantitativ nachweisen, auch in Gegenwart von ubiquitären Ionen wie Na+, K+, Ca2+ und Mg2+. Die stark emittierende Fluoreszenz des Sensors mit einer langen Lebensdauer von 165 ns wird durch eine 1:1-Komplexbildung bei Zugabe von Metallionen in Acetonitril gelöscht. Bei Zugabe eines zehnfachen Überschusses des Metallions zum Sensor bilden sich Agglomerate mit einem Durchmesser von etwa 3 nm. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen im System werden konventionelle lineare Korrelationen nicht für alle Konzentrationen beobachtet. Daher wird ein kritischer Vergleich zwischen der konventionellen Job-Plot-Interpretation, der Methode von Benesi-Hildebrand und einem nicht-linearen Fit vorgestellt. Das vorgestellte System ermöglicht die spezifische und robuste Erfassung von medizinisch und ökologisch relevanten Ionen im gesundheitsrelevanten nM-Bereich und könnte z. B. zur Überwachung der entsprechenden Ionen in Abfallströmen eingesetzt werden. 

Doch häufig landen diese Abfallströme in empfindlichen Aquakulturen, wo eine solche Sensortechnik nur funktioniert, wenn die Sonde wasserlöslich ist, um die Ausbreitung und Bildung von Umweltschäden durch Schwermetalle zu überwachen. Viele Chemosensoren arbeiten nur in bestimmten Lösungsmitteln und unter hochreinen Bedingungen quantitativ. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Stabilisierung von wasserunlöslichen Chemosensoren auf Nanodiamanten in salzhaltigem Wasser unter Beibehaltung der Sensoreffektivität und -spezifität sowie der kolloidalen Stabilität vorgestellt. Zusätzlich wird die Sensorfähigkeit in organischen Lösungsmitteln beibehalten. Diese Studie gibt Einblick in die Absorptionsfähigkeit von Pyren-Derivaten an der Nanodiamant-Oberfläche und einen Weg, diese reversibel zu desorbieren. 

Außerdem beweist das System, dass in Anwesenheit von 95 % Sauerstoffatmosphäre bei der Fluoreszenzmessung die Ergebnisse nicht von denen in Argonatmosphäre abweichen. Darüber hinaus stört das Vorhandensein gängiger Ionen im Wasser die kolloidale Stabilität der NDs nicht und hat auch keinen Einfluss auf die Sensorfunktionalität und ist somit ein vielversprechender Kandidat für Messungen ohne aufwändige Präparationsschritte.
N2  - Nanodiamond (ND) is a versatile and promising material for bio-applications. Despite many efforts, agglomeration of nanodiamond and the non-specific adsorption of proteins on the ND surface when exposed to bio-fluids remains a major obstacle for biomedical applications. An assortment of branched and linear molecules with superior ability to colloidally stabilize nanoparticles in salt and cell media environment, for up to 30 days, was attached to the ND’s surface.
The building box system with azide as external groups offers a huge variety of binding with many molecules, such as drugs, dyes or targeting molecules, is possible. Clicking, for instance, zwitterions moieties to the chain protects ND surface from protein corona forming when the particles get in contact with biofluids containing proteins.
Thermogravimetric analysis results of the ND surface loading show a significant prevention of up to 98 % of the protein adsorption compared with NDs without zwitterionic headgroups and long colloidal stability when tetraethylene glycol (TEG) are attached to the surface.
The versatility of the modular system to bind not only zwitterionic chains but also clickable functional molecules to fluorescent nanodiamonds (fNDs) demonstrates the potential of the system at the nanodiamond. Using defect structures, such as nitrogen-vacancy (NV) centers, diamond particles, due to their widely non-toxic behavior, can be used as fNDs for photostable labeling, bioimaging and nanoscale sensing in living cells and organisms. To functionalize the fND surface a novel milling technique with diazonium salts was established to perform grafting on poorly reactive HPHT fNDs yielding in high surface loading and high negative zeta potential.
Combining the benefits of TEG and zwitterion containing groups with antibody enabled nucleus targeting ability on fND confirms the enhanced colloidal stability in living cells experiments for the first time. Furthermore, the results indicate an improved corona repulsion compared with fND without zwitterion containing headgroups. As a result, the circulation times were enlarged from 4 (fND without zwitterion chain but with antibody) to 17 (with antibody and zwitterion chains) hours.
In non-biomedical applications, the modular system can be used as a probe for heavy metals by binding it to dyes. Detection of metals in different environments with high selectivity and specificity is one of the prerequisites of the fight against environmental pollution with these elements. Pyrenes are well suited and known for fluorescence sensing in different media.
The applied sensing principle typically relies on the formation of intra- and intermolecular excimers, which is however limiting the sensitivity range due to masking of e.g. quenching effects by the excimer emission. This study shows a highly selective, structurally rigid chemical sensor based on the monomer fluorescence of pyrene moieties bearing triazole groups.
This probe can quantitatively detect Cu2+, Pb2+ and Hg2+ in organic solvents over a broad concentration range, even in the presence of ubiquitous ions such as Na+, K+, Ca2+ and Mg2+. The strongly emissive sensor’s fluorescence with a long lifetime of 165 ns is quenched by a 1:1 complex formation upon addition of metal ions in acetonitrile. Upon addition of a tenfold excess of the metal ion to the sensor, agglomerates with a diameter of about 3 nm are formed. Due to complex interactions in the system, conventional linear correlations are not observed for all concentrations. Therefore, a critical comparison between the conventional Job plot interpretation, the method of Benesi-Hildebrand, and a non-linear fit is presented. The reported system enables the specific and robust sensing of medically and environmentally relevant ions in the health-relevant nM range and could be used e.g. for the monitoring of the respective ions in waste streams.
Nonetheless, often these waste streams end up in sensitive aquacultures, where such sensor technology only works if the probe is water-soluble to monitor the spread and formation of environmental damage from heavy metals. Many chemosensors only work quantitatively in specific solvents and under highly pure conditions. In this thesis a method to stabilize water-insoluble chemosensors on nanodiamonds in saline water while maintaining the sensor efficacy and specificityas as well as colloidal stability is presented. Additionally, the sensor capability is retained in organic solvents. This study provides insight into the absorptivity of pyrene derivatives to the nanodiamond surface and a way to reversibly desorb them.
Moreover, the system proves that in presence of 95 % oxygen atmosphere while the fluoresce measurement the results of the do not vary from the one in argon atmosphere. Furthermore, the presence of common ions in water do not disturb the colloidal stability of the NDs and also no influence the sensor functionality and thus is highly promising candidate for measurement without cumbersome preparation steps.
KW  - Chemosensor
KW  - Nanodiamant
KW  - Kolloidalstabilität
KW  - Protein Corona
KW  - Targeting
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245888
ER  -