Synthesis of zinc oxide, titanium dioxide and silica particles with a defined shape, size and crystallinity and their cell biological effects

Autor: Olejnik, Mateusz
Přispěvatelé: Epple, Matthias, Epple, Matthias (Akademische Betreuung)
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Popis: In this work the synthesis and characterization of various oxide particle systems was presented. These systems were further tested on lung macrophages (NR8383) towards toxicological effects. Five different oxide particle systems were chosen as model particles for toxicological studies. These were SiO2 (amorphous silica and quartz), ZnO and TiO2 (anatase and rutile). For particle synthesis, various wet chemical methods were performed, with the goal to produce monodisperse and colloidally stabile particles in a reproducible way. The focus of these syntheses was to obtain chemically identical particles, which differed in size, shape and crystallinity. Thus enabled a comparative study of the influence of these particle parameters on cell viability. In the synthesis of all oxide particle systems, three particle size ranges (nano, submicro and micrometer) and two particle shapes (spheres and rods) were obtained. Depending on the type of synthesis, the particles were electrostatically- or sterically-stabilized and tested for purity, shape, and chemical and crystallographic composition using various methods, including colloid-chemical, electron microscopic, spectroscopic and crystallographic methods. In the first part of the thesis, the St��ber process resulted in preparing "naked" (non-functionalized) silica spheres with three particle sizes, through targeted hydrolysis and subsequent polycondensation of tetraethylorthosilicate (TEOS). The particle size and shape of silica spheres could be controlled by the concentration of starting materials and reaction temperature. For the synthesis of silica nanospheres and submicrospheres the temperature was increased accordingly. Since only spherical amorphous silica particles were obtained, according to the classic St��ber method, further addition of a cationic surfactant (CTAB) to the reaction mixture was necessary to obtain a directed anisotropic growth of the particles. After a slight modification of the literature-known protocols, CTAB-functionalized silica submicrorods and microrods were successfully synthesized. The control of particle length during synthesis could be achieved through the molar ratio of reactants and by adjustment of the stirring speed. However, with the modified St��ber process, it was not possible to obtain CTAB-silica nanorods with an average particle length of ���100 nm. Since CTAB is cytotoxic, and thus CTAB-functionalized silica rods were unsuitable for further biological studies, a strategy to remove CTAB from the particles was developed. ���Naked��� (CTAB-free) silica rods obtained in this way were examined for the presence of CTAB on their surface by IR spectroscopy and elemental analysis. Furthermore, the DLS measurements confirmed that the particles were electrostatically stabile as in the case of amorphous silica spheres. An additional type of rod-shaped silica particles could be produced based on the microemulsion method. In the presence of PVP, in a water-oil emulsion (1-pentanol / water mixture), a directional growth of polymer-functionalized silica large rods (with an average particle length of 3.5 ��m) could be achieved. After fluorescence labelling of 6 types of the silica particles, with dye-coupled polymers (CMC-F or PEI-FITC), the cellular uptake of the particles could be followed by confocal laser scanning microscopy (CLSM). In contrast to amorphous silica particles, which were easily obtained in the sol-gel process using the St��ber method, the synthesis of monodisperse quartz particles with defined shape and size could not be guaranteed, due to lack of dispersibility and loss of the original morphology after crystallization. By using common solid-state chemistry methods, such as hydrothermal syntheses or high-temperature processes, it was possible to convert the amorphous silica particles to quartz particles or cristobalite particles, however, they demonstrated a tendency to form larger crystalline SiO2 particles. Internal crystallization of the quartz particles from amorphous silica particles was therefore not possible without changing the original particle shape. In the next part of the thesis, PVP-ZnO particles in wurtzite structure were successfully synthesized from zinc salts and in the presence of PVP in two one-pot syntheses. These were performed in dimethylformamide (DMF) and in polyols (polyol process). Although synthesis of the PVP-ZnO nanospheres and PVP-ZnO nanorods was carried out as described in literature, an optimization of synthesis was already needed to obtain PVP-ZnO microspheres and PVP-ZnO microrods with defined parameters. Our own investigations on the influence of reaction parameters on particle properties in DMF one-pot synthesis demonstrated that the amount of water in the reaction mixture was critical to control shape of the particles. On the other hand, shortening of the reaction time enabled to control particle size with unchanged reaction conditions and led to successful synthesis of PVP-ZnO submicrospheres. In-depth studies indicated that a change in the amounts of zinc salt and water, in the polyol process, did not result in formation of PVP functionalized ZnO submicrorods. The quantitative analysis of the release of Zn2+ ions from the five types of PVP-ZnO particles was investigated in different environments, i.e., ultrapure water, RPMI medium and simulated lysosomal medium. Contrary to the expectations, no significant differences in the release of Zn2+ ions in ultrapure water and biological media, correlated with size and shape of the particles, were found. Hypothetically, the increased surface area of ZnO nanoparticles, compared to submicro- and microparticles, should lead to a significantly higher release of Zn2+ ions. Overall, the dissolution of ZnO particles in biological media was higher (up to 17%) than in ultrapure water (up to 7%). As expected, dissolution studies in the simulated lysosomal medium confirmed that ZnO particles were almost completely dissolved after 1 hour of incubation in the acidic medium (pH
Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung von verschiedenen Oxid-Partikelsystemen, deren toxikologische Beurteilung an den Lungenmakrophagen (NR8383) systematisch untersucht werden sollte. Als Modellpartikel f��r toxikologische Studien wurden f��nf verschiedene Oxid-Partikelsysteme gew��hlt (SiO2: amorphes Silica und Quarz, ZnO, TiO2: Anatas und Rutil). Zur Partikelsynthese wurden verschiedene nasschemische Synthesestrategien ausgearbeitet, mit dem Ziel, reproduzierbar monodisperse und kolloidal stabile Partikel herzustellen. Der Fokus dieser Synthesen lag weiterhin auf der Gewinnung definierter Partikel, die sich bei einer chemisch gleichen Zusammensetzung und ggf. Kristallinit��t, nur in ihren Gr����en und Formen unterschieden, und somit eine vergleichende toxikologische Beurteilung der Einfl��sse dieser Parameter innerhalb der jeweiligen Partikelsysteme erm��glichen. Erzielt wurden bei den Synthesen aller Oxid-Partikelsysteme drei Partikelgr����enbereiche (Nano-, Submikro- und Mikrometerbereich) und zwei Partikelformen (Kugeln, St��bchen). Je nach Art der Synthese waren die Partikel elektrostatisch oder sterisch stabilisiert und hinsichtlich ihrer Reinheit, Partikelform, chemischer und kristallographischer Zusammensetzung mittels verschiedener Methoden gepr��ft. Im ersten Teil der Arbeit gelang es im St��ber-Prozess durch gezielte Hydrolyse und anschlie��ende Polykondensation des Tetraethylorthosilicat (TEOS), ���nackte��� (nicht funktionalisierte) Silica-Kugeln mit drei gew��nschten Partikelgr����en pr��parativ darzustellen. Die Partikelgr����e und die kugelf��rmige Form der Silica-Kugeln lie��en sich dabei ��ber die Konzentration der eingesetzten Edukte sowie ��ber die Reaktionstemperatur einstellen, wobei f��r die Synthese der Silica-Nanokugeln und Submikrokugeln die Temperatur entsprechend erh��ht wurde. Da nach der klassischen St��ber-Methode lediglich kugelf��rmige, amorphe Silica-Kugeln gewonnen werden, war ein weiterer Zusatz eines kationischen Tensids (CTAB) ins Reaktionsgemisch erforderlich, um ein gerichtetes anisotropes Wachstum der SilicaSt��bchen zu erzielen. Durch eine leichte Modifizierung der literaturbekannten Versuchsvorschrift konnten CTAB-funktionalisierte Silica-Submikrost��bchen und CTAB-funktionalisierte Mikrost��bchen erfolgreich synthetisiert werden. Die Kontrolle der Partikell��ngen w��hrend der Synthesen konnte durch das molare Verh��ltnis der Reaktanden zueinander sowie ��ber die angepasste R��hrgeschwindigkeit der Reaktionsmischung erreicht werden. Mit diesem modifizierten St��ber-Prozess gelang es allerdings nicht, CTAB-Silica-Nanost��bchen mit durchschnittlichen Partikell��ngen ���100 nm zu erhalten. Da CTAB zytotoxisch ist und damit auch CTAB-Silica-St��bchen f��r weitere biologische Studien ungeeignet macht, wurde im Verlauf der Arbeit eine Strategie ausgearbeitet, um verbleibendes CTAB aus den Partikeln zu entfernen. Die auf diese Weise gewonnenen, ���nackten��� (nicht funktionalisierte, CTAB-freie) Silica-St��bchen wurden folglich auf die Abwesenheit von CTAB auf ihrer Oberfl��che mittels IR-Spektroskopie und Elementaranalyse untersucht. Dar��ber hinaus best��tigten die DLS-Messungen, dass die beiden Silica-St��bchensorten wie im Fall von amorphen Silica-Kugeln elektrostatisch stabil waren. Erg��nzend zum Projekt konnte dennoch eine weitere st��bchenf��rmige Silica-Partikelsorte mittels der Mikroemulsion-Technik dargestellt werden. In Gegenwart von PVP-Polymer konnte in der Wasser-��l-Emulsion (1-Pentanol/Wasser) ein gerichtetes Wachstum von Polymer-funktionalisierten Silica-Riesenst��bchen (mit einer durchschnittlichen Partikell��nge von 3,5 ��m) erreicht werden. Nach der Fluoreszenzmarkierung von insgesamt sechs Silica-Partikelsorten mit Farbstoff-Polymeren (CMC-F oder PEI-FITC) konnte die zellul��re Aufnahme der Partikel mithilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) verfolgt werden. Im Gegensatz zu amorphen Silica-Partikeln, die nach dem Sol-Gel-Prozess mittels St��ber-Prozess leicht erhalten werden konnten, war die Darstellung monodisperser Quarz-Partikel mit definierter Form und Gr����e aufgrund mangelnder Dispergierbarkeit in Reinstwasser und Verlust der urspr��nglichen Morphologie nach Kristallisation schlecht realisierbar. Mit den g��ngigen Methoden der Festk��rperchemie, wie z.B. Hydrothermalsynthesen oder Hochtemperaturprozessen, konnten die amorphen Silica-Partikel in Quarz- oder Cristobalit-Partikel umgewandelt werden, zeigten jedoch eine Tendenz zur Bildung gr����erer kristalliner Siliciumdioxid-Partikel. Somit war eine interne Kristallisation der Quarz-Partikel aus amorphen Silica-Partikeln ohne Ver��nderung der urspr��nglichen Partikelform nicht m��glich. Im n��chsten Teil der Arbeit konnten erfolgreich PVP-ZnO-Partikel in der Wurtzit-Struktur ausgehend von Zinksalzen und in Gegenwart von PVP mit zwei verschiedenen ���Eintopfsynthesen���: in Dimethylformamid (DMF) und in Polyolen (Polyol-Prozess) hergestellt werden. W��hrend die Darstellung der PVP-ZnO-Nanokugeln und PVP-ZnO-Nanost��bchen exakt nach den literaturbekannten Versuchsvorschriften erfolgte, mussten zur Darstellung der PVP-funktionalisierten ZnO-Mikrokugeln und ZnO-Mikrost��bchen weitere Optimierungen der literaturorientierten Synthesen vorgenommen werden, um die Partikel mit monodisperser Partikelgr����enverteilung bzw. in gew��nschter Form zu gewinnen. Eigene Untersuchungen der Einfl��sse der Reaktionsparameter auf die Partikeleigenschaften bei den DMF-Eintopfsynthesen zeigten, dass vor allem die Wasser-Menge im Reaktionsgemisch den gr����ten Effekt zur Kontrolle der Partikelform aus��bt. Eine entsprechende Verk��rzung der Reaktionsdauer erm��glichte hingegen eine Kontrolle ��ber die Partikelgr����e bei ansonsten gleichbleibenden Reaktionsbedingungen und schlie��lich die erfolgreiche Synthese von PVP-funktionalisierten ZnO-Submikrokugeln. Eingehende Studien zeigten wiederum, dass eine ��nderung der Zinksalz- und Wassermengen in den durchgef��hrten Modifikationen der Polyol-Synthese nicht zur Bildung von PVP-funktionalisierten ZnO-Submikrost��bchen f��hrte. Die quantitative Analyse der Freisetzung von Zn2+-Ionen aus erfolgreich hergestellten f��nf PVP-ZnO-Partikelsorten wurde in unterschiedlichen Medien, wie z.B. im Reinstwasser, RPMI-Medium und in simulierten lysosomalen Medien untersucht. Entgegen den Erwartungen wurden keine signifikanten Unterschiede in der Freisetzung der Zn2+-Ionen im Reinstwasser und im biologischen Medium festgestellt, die auf morphologisch bedingte und gr����enabh��ngige Korrelation dieser Partikel zur��ckzuf��hren w��ren. Hypothetisch sollte die vergr����erte Oberfl��che von ZnO-Nanopartikeln im Vergleich zu den Submikro- und Mikropartikeln in deutlich h��herer Aufl��sung hin zu Zn2+-Ionen resultieren. Insgesamt jedoch war die Aufl��sung der ZnO-Partikel in biologischem Medium tendenziell gr����er (bis zu 17%) als in Reinstwasser (bis zu 7%). Erwartungsgem���� best��tigten die Aufl��sungsstudien in simulierten lysosomalen Medien, dass die ZnO-Partikel bereits nach 1 h Inkubation in sauren Medien (pH
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