Ultra-Small Silver Nanoparticles - Dynamic Behavior in Aqueous and Biological Environments

Abstract

The utilization of silver nanoparticles in consumer related products has significantly increased over the last decade, especially due to their antimicrobial properties. Today they are used in a plethora of products ranging from cosmetics and textiles to medical instruments. Thus, investigations on nanoscale silver are attracting increasing interest in many fields, such as biomedicine or catalysis. Unfortunately, the results of these studies are diverse and do not lead to a consistent evaluation of the toxicity of silver nanoparticles. A major flaw is the usage of non-uniform and inadequate characterized particles with broad size distributions. To elucidate this problem this thesis deals with the synthesis and thorough characterization of a versatile silver nanoparticle system in a size at the lower end of the nanoscale. Poly(acrylic acid) (PAA)-stabilized silver nanoparticles with a nominal radius of 3 nm are synthesized using two methods. Firstly, they are produced in a classical batch synthesis and secondly in a microwave-assisted synthesis. The comparison of these two routes applying the same reaction conditions provides the opportunity to reveal whether non-thermal microwave effects, which are still under debate in literature, are present. The synthesized particles exhibit a high stability and are used in an inter-laboratory comparison proving their suitability for application in nanometrology, such as determination of nanoparticle sizes, size distribution widths, and particle concentrations. Furthermore, the high versatility of the silver nanoparticle system enables an easy ligand exchange to tune the surface of the particles on demand and improve their biocompatibility. Exemplarily, transfunctionalizations with albumin, glutathione, and tyrosine are performed and characterized by small-angle X-ray scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS), UV/Vis and IR spectroscopy. These differently coated silver nanoparticles are used firstly in a catalytic application: the reduction of 4-nitrophenol. Therein, a dependence of the catalytic activity on the corresponding coating is observed and reveals that the PAA-stabilized silver nanoparticles exhibit an exceptionally high activity. As a preliminary study for future biological applications the binding behavior, especially the adsorption and desorption, of biocompatible, fluorescent ligands is investigated. It is demonstrated that a fluorescent labelling with appropriate binding properties can be provided, which is subsequently used in an initial investigation on lung and intestinal cells regarding particle transport. Subsequently, the PAA-stabilized particles are employed in an artificial digestion. The monitoring of the size and size distribution throughout the three steps of digestion (saliva, stomach, intestine) shows that the silver nanoparticles pass the digestion under transformation in size, but still remain nano-sized. Since silver is known for the continuous release of silver ions, the digestion of silver nanoparticles leads naturally to the question of the behavior of ionic silver in an artificial digestion. The investigation of this topic with the help of small and wide-angle X-ray scattering and IR spectroscopy reveals that silver thiocyanate nanoparticles are formed during in vitro digestion. The release of silver ions from the surface of silver nanoparticles is a crucial point in the risk assessment of silver nanoparticles, since the ions can undergo complex transformations in biological environments. In this work, enhanced ion release was observed for the interaction of PAA-stabilized silver nanoparticles with glutathione. New small silver clusters were formed during this process. The diverse applications of the silver nanoparticle system in this work demonstrate the high versatility and stability of the system, which is a promising candidate for further comparable biological and catalytic applications.

Die Verwendung von Silbernanopartikeln in Konsumgütern des täglichen Lebens hat in den letzten zehn Jahren deutlich zugenommen, insbesondere aufgrund ihrer antimikrobiellen Eigenschaften. Heute werden sie in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt, die von Kosmetika und Textilien bis hin zu medizinischen Instrumenten reichen. So stoßen Untersuchungen an Nanosilber in vielen Bereichen wie der Biomedizin oder der Katalyse auf zunehmendes Interesse. Leider sind die Ergebnisse dieser Studien divers und führen nicht zu einer konsistenten Bewertung der Toxizität von Silbernanopartikeln. Eine große Schwachstelle ist die Verwendung von uneinheitlichen und unzureichend charakterisierten Partikeln mit breiten Größenverteilungen. Um dieses Problem zu beleuchten, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Synthese und umfassenden Charakterisierung eines vielseitigen Silbernanopartikelsystems mit einer Größe am unteren Ende der Nanoskala. Poly(acrylsäure) (PAA)-stabilisierte Silbernanopartikel mit einem nominalen Radius von 3 nm werden mit zwei Methoden synthetisiert. Zum einen werden sie in einer klassischen Batch-Synthese und zum anderen in einer mikrowellengestützten Synthese hergestellt. Der Vergleich dieser beiden Verfahren bei gleichen Reaktionsbedingungen ermöglicht die Aufklärung, ob nicht-thermische Mikrowelleneffekte, die in der Literatur noch diskutiert werden, in diesem Fall vorhanden sind. Die synthetisierten Partikel weisen eine hohe Stabilität auf und werden in einem Ringversuch eingesetzt, um ihre Eignung für den Einsatz in der Nanometrologie, wie zum Beispiel der Bestimmung von Nanopartikelgrößen, Größenverteilungsbreiten und Partikel-konzentrationen, nachzuweisen. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Vielseitigkeit des Silbernanopartikelsystems einen einfachen Ligandenaustausch, um die Oberfläche der Partikel nach Bedarf anzupassen und ihre Biokompatibilität zu verbessern. Beispielhaft werden Umfunktionalisierungen mit Albumin, Glutathion und Tyrosin durchgeführt und durch Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS), dynamische Lichtstreuung (DLS), UV/Vis- und IR-Spektroskopie charakterisiert. Diese unterschiedlich beschichteten Silbernanopartikel werden zunächst in einer katalytischen Anwendung eingesetzt: Der Reduktion von 4-Nitrophenol. Dabei wird die Abhängigkeit der katalytischen Aktivität von der entsprechenden Beschichtung beobachtet und es zeigt sich, dass die PAA-stabilisierten Silbernanopartikel eine außergewöhnlich hohe Aktivität aufweisen. Als Vorbetrachtung für zukünftige Anwendungen der Silbernanopartikel in biologischen Fragestellungen wird das Bindungsverhalten, insbesondere die Adsorption und Desorption, von biokompatiblen, fluoreszierenden Liganden untersucht. Es zeigt sich, dass eine Fluoreszenzmarkierung mit geeigneter Bindungswirkung bereitgestellt werden kann. Die fluoreszenzmarkierten Partikel werden anschließend in einer ersten Untersuchung hinsichtlich des Partikeltransports auf Lungen- und Darmzellen eingesetzt. Anschließend werden die PAA-stabilisierten Partikel in einem künstlichen Verdau untersucht. Die Verfolgung der Größe und Größenverteilung in den drei Verdaustufen (Speichel, Magen, Darm) zeigt, dass die Silbernanopartikel den Verdau unter Größenveränderungen passieren, aber dennoch nanoskalig bleiben. Da Silber für die kontinuierliche Freisetzung von Silberionen bekannt ist, führt der Verdau von Silbernanopartikeln zu der Frage nach dem Verhalten von ionischem Silber in einem künstlichen Verdau. Die Untersuchung dieses Themas mit Hilfe von Röntgenklein- und Röntgenweitwinkelstreuung, sowie IR-Spektroskopie zeigt, dass bei dem in vitro Verdau Silberthiocyanatnanopartikel entstehen. Die Freisetzung von Silberionen von der Oberfläche von Silbernanopartikeln ist ein entscheidender Punkt bei der Risikobewertung von Silbernanopartikeln, da die Ionen in biologischen Umgebungen komplexe Transformationen durchlaufen können. In dieser Arbeit wurde eine erhöhte Ionenfreisetzung für die Interaktion von PAA-stabilisierten Silbernanopartikeln mit Glutathion beobachtet. Dabei entstanden neue kleine Silbercluster. Die vielfältigen Anwendungen des Silbernanopartikelsystems in dieser Arbeit zeigen die hohe Vielseitigkeit und Stabilität des Systems, das ein vielversprechender Kandidat für weitere vergleichbare biologische und katalytische Anwendungen ist.