Synthesis and surface chemistry of nickel nanoparticles for protein biomarker-based molecular diagnostics

Autor: Reichinger, Daniela
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2018
DOI: 10.25365/thesis.50698
Popis: Ziel der Masterarbeit war es, zylindrische Nickel-Nanopartikel auf elektrochemischem Weg zu synthetisieren und diese in wässriger Lösung zu stabilisieren. Zudem sollte die veränderte Oberflächenchemie der Nanopartikel die Konjugation von Antikörpern im nächsten Schritt erlauben und so den Einsatz der biofunktionalisierten Nanostäbchen zur Proteindetektion mit der PlasMag Messmethode im Rahmen der patientennahen, einfach handhabbaren Labordiagnostik, sowohl in Pufferlösungen als auch in Serums- und Speichelproben ermöglichen. Die Herstellung der Nanopartikel erfolgt über ein template-basiertes Verfahren, in welchem zuerst die Oberfläche einer Aluminiumfolie in einer sauren Lösung oxidiert wird und anschließend elektrochemisch ein Porenwachstum in der Oxidschicht induziert wird. Diese Poren werden in einem weiteren elektrochemischen Syntheseschritt mit Nickel befüllt, wodurch zylindrische Nickel-Nanopartikel mit einer Länge von ca. 200 nm und einem Durchmesser von ca. 15 nm erhalten werden, wie mittels Elektronenmikroskopie bestimmt wurde. Im nächsten Arbeitsschritt wurde die Oxidschicht nass-chemisch aufgelöst und damit die Nanopartikel in Lösung gebracht. Gleichzeitig wurde dafür Sorge getragen, dass die entstandene Nanopartikeldispersion stabil ist, bzw. die Agglomeration der Nanopartikel verhindert wird, indem anziehende Van der Waals Kräfte und magnetische Dipol-Dipol Kräfte durch sterische, elektrostatische oder elektrosterische Wechselwirkungen kompensiert werden. Die Modifikation der Oberfläche erfolgte auch in Hinblick auf eine weitere Funktionalisierung der Nanopartikel mit Antikörpern. Dies bedeutet, dass die eingesetzten Surfactants reaktive funktionelle Gruppen wie z.B. Carboxy Gruppen aufwiesen, um in einem zukünftigen Schritt die kovalente Anbindung eines Antikörpers zu ermöglichen. Das wasserlösliche Polymer PVP ist ein Beispiel für ein oberflächenaktives Molekül, welches durch elektrosterische Wechselwirkungen die Nanorod-Dispersion stabilisieren konnte. Es adsorbiert mit der hydrophilen Pyrrolidon-Funktionalität an die Oberfläche der Nickel-Nanopartikel und stabilisiert diese durch die unterschiedlichen langen Polymerketten, die sterische Abstoßungen zwischen den beschichteten Partikeln verursachen. Die moderate Stabilität dieser Dispersion wurde durch Messungen des Zeta-Potentials bestätigt, welche auch die elektrostatischen Abstoßungen belegen konnten. Die hohe Affinität von Carbonsäuren zu der natürlich auftretenden Nickeloxidschicht auf den Nanopartikeln bietet die theoretische Grundlage für Stabilisierungsansätze basierend auf Fettsäuren wie z.B. Ölsäure oder Laurinsäure. Durch die Adsorption der hydrophilen Carboxy-Gruppe an die Nanopartikeloberfläche ragt der hydrophobe Teil des Moleküls in die umgebende Lösung und bildet eine hydrophobe Schicht um den Partikel. Diese Ummantelung diente als Grundlage für die weitere Funktionalisierung mit dem modifiziertem, amphipathischen Polymer PMA. Das hohe, negative Zeta-Potential dieser Partikel deutete auf eine exzellente Stabilität hin, wodurch in einem zukünftigen Schritt der monoklonale Antikörper Trastuzumab mittels EDC/sulfo-NHS Linker-Chemie an die Nanopartikel konjugiert werden kann. Zudem wurden auch Stabilitätsmessungen der unterschiedlich beschichteten Partikel in einem Zeitraum von 24 Stunden mit der PlasMag Methode durchgeführt, welche zeigten, dass die mit Ölsäure und PMA behandelten Partikel ausreichend lange stabil sind, um die Antikörper anzubinden. Durch die erfolgreiche Synthese der Nickel Nanostäbchen und Modifizierung ihrer Oberflächenchemie konnte der Weg für eine zukünftige Konjugation des monoklonalen Antikörpers Trastuzumab geebnet werden, wodurch auch das Benchmarking des am AIT etablierten Sensorkonzepts PlasMag zur Detektion des sHER2 Biomarkers ermöglicht wird
Molecular diagnostics relies on the detection of biomarkers in complex sample solutions. Of special relevance are point-of-care testing methods which circumvent the need for laborious sample preparation and sophisticated instrumentation. One representative is the PlasMag measurement principle which relies on biofunctionalized magnetic nanorods and changes of their physical properties upon biomarker binding to their surface. This thesis focuses on the electrochemical synthesis and modifications of the surface chemistry of nickel nanorods. The aim was to fabricate stable dispersions of nanorods that comprise a functional surface that paves the way for future biosensing experiments. The synthesis of nickel nanorods in colloidal suspension is a three-step process. First, nano-sized porous aluminium oxide layers were produced using an anodizing process in acidic solution. Second, the resulting pores are filled with nickel from a solution of nickel salts via pulsed electrodeposition. In a final step, the nanorods were released from the aluminium oxide template and dispersed in an appropriate solvent after several washing steps. The nanorods possessed a length of about 200 nm and a diameter of approximately 15 nm as determined by scanning electron microscopy. By stabilizing the so obtained dispersions, nanoparticle agglomeration effects due to attractive van der Waal’s forces and magnetic dipole-dipole forces can be compensated. This can be achieved by a suitable modification of the nanorod surface chemistry with either small molecules or polymers. For this reason, stabilization approaches by electrostatic, steric or electrosteric repulsion were employed to modify the nanorod surface. An example for a polymer that allows for electrosteric nanorod dispersion stabilization is the water-soluble polymer PVP that adsorbs to the surface of the nickel nanorods through its hydrophilic pyrrolidone group. Due to the resulting polymer layer with varying chain lengths, steric repulsions prevented particle agglomeration. Stability of the nanorod dispersion was confirmed by zeta potential measurements which indicated, that electrosteric repulsions between the coated particles prevent agglomeration. Another possible approach for particle dispersion stabilization is to use the high affinity of carboxylic acids to the native nickel oxide layer which provides theoretical basis for stabilization approaches with fatty acids like oleic acid and lauric acid. To that end, the particles were coated with fatty acids to produce a hydrophobic layer, which was then further used as a priming layer for the coating with an amphiphilic polymer. Here, the highly negative zeta potential indicated high stability of the aqueous nanoparticle dispersion, which allows for future antibody conjugation. The short-term stability of particles with different coatings was determined using the PlasMag measurement method. This successful nanorod synthesis and surface modification offers the possibility for a future conjugation of the nanorod surface by the monoclonal antibody trastuzumab to enable for a benchmarking of the PlasMag system by the detection of the sHER2 biomarker.
Databáze: OpenAIRE
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