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Thioether-poly(glycidol) as multifunctional coating system for gold nanoparticles

Thioether-Poly(glycidol) als multifunktionales Beschichtungssystem für Gold-Nanopartikel

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-172902
  • The aim of this thesis was the development of a multifunctional coating system for AuNPs based on thioether polymers, providing both excellent colloidal stability and a variable possibility to introduce functionalities for biological applications. First, two thioether-polymer systems were synthesised as a systematic investigation into colloidal stabilisation efficacy. Besides commonly used monovalent poly(ethylene glycol) (PEG-SR), its structural analogue linear poly(glycidol) (PG-SR) bearing multiple statistically distributed thioetherThe aim of this thesis was the development of a multifunctional coating system for AuNPs based on thioether polymers, providing both excellent colloidal stability and a variable possibility to introduce functionalities for biological applications. First, two thioether-polymer systems were synthesised as a systematic investigation into colloidal stabilisation efficacy. Besides commonly used monovalent poly(ethylene glycol) (PEG-SR), its structural analogue linear poly(glycidol) (PG-SR) bearing multiple statistically distributed thioether moieties along the backbone was synthesised. Additionally, respective thiol analogues (PEG-SH and PG-SH) were produced and applied as reference. Successive modification of varyingly large AuNPs with aforementioned thiol- and thioether-polymers was performed via ligand exchange reaction on citrate stabilised AuNPs. An increased stabilisation efficacy of both thioether-polymers against biological and physiological conditions, as well as against freeze-drying compared to thiol analogues was determined. Based on the excellent colloidal stabilisation efficacy and multi-functionalisability of thioether-PG, a plethora of functional groups, such as charged groups, hydrophilic/hydrophobic chains, as well as bio-active moieties namely diazirine and biotin was introduced to the AuNP surface. Moreover, the generic and covalent binding of diazirine-modified PG-SR with biomolecules including peptides and proteins was thoroughly demonstrated. Lastly, diverse applicability and bioactivity of aforementioned modified particles in various studies was displayed, once more verifying the introduction of functionalities. On the one hand the electrostatic interaction of charged AuNPs with hydrogels based on hyaluronic acid was applied to tune the release kinetics of particles from three-dimensional scaffolds. On the other hand the strong complexation of siRNA onto two positively charged AuNPs was proven. The amount of siRNA payload was tuneable by varying the surface charge, ionic strength of the surrounding medium and the N/P ratio. Moreover, the biological activity and selectivity of the biotin-streptavidin conjugation was verified with respectively functionalised particles in controlled agglomeration test and in laser-triggered cell elimination experiments. In the latter, streptavidin-functionalised AuNPs resulted in excellent depletion of biotinylated cells whereas unfunctionalised control particles failed, excluding unspecific binding of these particles to the cell surface.show moreshow less
  • Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines multifunktionalen Beschichtungssystems für Gold Nanopartikel (AuNP) basierend auf Thioether-Polymeren, das sowohl eine hervorragende kolloidale Stabilität aufweist, als auch eine variable Einbringung von Funktionalitäten für biologische Anwendungen ermöglicht. Um eine Systematik der Untersuchung von kolloidaler Stabilisierungseffizienz zu gewährleisten, wurden zwei Thioether-Polymersysteme synthetisiert. Diese basierten auf dem gebräuchlichen monovalenten Polyethylenglykol (PEG-SR) und dessenZiel der Arbeit war die Entwicklung eines multifunktionalen Beschichtungssystems für Gold Nanopartikel (AuNP) basierend auf Thioether-Polymeren, das sowohl eine hervorragende kolloidale Stabilität aufweist, als auch eine variable Einbringung von Funktionalitäten für biologische Anwendungen ermöglicht. Um eine Systematik der Untersuchung von kolloidaler Stabilisierungseffizienz zu gewährleisten, wurden zwei Thioether-Polymersysteme synthetisiert. Diese basierten auf dem gebräuchlichen monovalenten Polyethylenglykol (PEG-SR) und dessen Strukturanalog Polyglycidol (PG-SR), das mehrere statistisch verteilte Thioethergruppen an seinem Rückgrat trägt. Zusätzlich wurden entsprechende Thiol-Polymere hergestellt (PEG-SH and PG-SH) und als Referenz eingesetzt. Die anschließende Modifikation von unterschiedlich großen AuNP mit zuvor erwähnten Thiol- und Thioether-Polymeren wurde über eine Liganden-Austausch-Reaktion auf Citrat-stabilisierten AuNP durchgeführt. Für beide Thioether-Polymere wurde eine höhere Stabilisierungseffizienz, insbesondere gegen biologische und physiologische Bedingungen, als auch gegen Gefriertrocknung im Vergleich zu entsprechenden Thiol-Analogen in einer systematischen Studie mit unterschiedlich großen AuNP festgestellt. Basierend auf der exzellenten kolloidalen Stabilisierungseffizienz und der multi-Funktionalisierbarkeit von Thioether-PG, wurde eine Vielzahl an funktioneller Einheiten, wie geladenen Gruppen, hydrophilen/hydrophoben Ketten und bioaktive Einheiten wie Diazirin und Biotin auf die AuNP Oberfläche eingebracht. Des Weiteren wurde die generische und kovalente Bindung zwischen Diazirin-modifiziertem PG-SR und Biomolekülen, wie Peptiden und Proteinen ausführlich aufgezeigt. Zuletzt, wurde die vielfältige Anwendungsmöglichkeit und Bioaktivität der zuvor erwähnten modifizierten Partikel in diversen Studien dargestellt, wodurch nochmals die erfolgreiche Einbringung der Funktionalitäten verifiziert wurde. Zum einen wurde hierbei die elektrostatische Wechselwirkung zwischen geladenen AuNP und Hydrogelen, die auf Hyaluronsäure basierten genutzt, um die Freisetzungskinetik der Partikel aus den drei-dimensionalen Gerüsten zu steuern. Zum anderen wurde die starke Komplexierung von siRNA an zwei unterschiedlich stark positiv geladene AuNP nachgewiesen. Die Menge an komplexierter siRNA konnte über Variation der Oberflächenladung, der Ionenstärke des umgebenden Mediums und des N/P Verhältnisses eingestellt werden. Zudem wurde die biologische Aktivität und Selektivität der Biotin-Streptavidin Konjugation mittels entsprechend funktionalisierter AuNP in kontrollierten Agglomerationstests und in ausführlichen Laser-induzierten Zelleliminationsstudien nachgewiesen. In letzteren Studien riefen Streptavidin-funktionalisierte AuNP exzellente Depletion von biotinylierten-Zellen hervor, wohingegen unfunktionalisierte Kontrollpartikel versagten, was eine unspezifische Bindung dieser Partikel an die Zelloberfläche ausschloss.show moreshow less

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Metadaten
Author: Susanne Feineis
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-172902
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie
Medizinische Fakultät / Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
Referee:Prof. Dr. Jürgen Groll
Date of final exam:2018/11/18
Language:English
Year of Completion:2018
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
GND Keyword:Nanopartikel
Tag:Thioether-Poly(glycidol)
Colloidal Stability; Gold-Nanoparticles; Multifunctionalisability
Release Date:2018/12/03
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht