Development of metal and metal oxide nanoparticles and investigation of their potential applications
Metal ve metal oksit nanoparçacıkların geliştirilmesi ve potansiyel uygulama alanlarının incelenmesi
- Tez No: 591096
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HAVVA YAĞCI ACAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 149
Özet
Son yıllarda, araştırma-geliştirme ve endüstriyel alanlarında, özgün kimyasal, fiziksel ve biyolojik özellikleri nedeniyle metal bazlı nanomalzemelerin kullanımı büyük önem kazanmıştır. Altın nanoparçacıkları (ANP) ve süper paramanyetik demir oksit nanoparçacıkları (SPION) en çok çalışılan ve en ilgi çeken yapılardır. Her iki nanoparçacık, kataliz, sensör, enerji ve sağlık alanında terapötik ve görüntüleme amaçlı gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, tıptan katalizöre kadar farklı uygulamalarda kullanılacak nanoparçacık bazlı bir alet kutusu oluşturmak için partikül büyüklüğü, kararlılığı ve absorbans özellikleri; ayrıca yüzey kimyasını kontrol etmek için altın nanoparçacık sentezi ve fonksiyonlandırılması üzerine kapsamlı bir araştırma yapılmasını amacladık. Bu amaçla, farklı indirgeyici ve kaplama malzemeleri kullanarak geniş bir fonksiyonel altın nanoparçacık portföyü oluşturulmuştur. Polietilenimin (PEI) kaplı katyonik ANP'ler, gen taşınımı ve kataliz potansiyeli nedeniyle bu tezin temel konularından biridir. Anyonik ANP'ler tıptaki potansiyeli için başka bir ana başlığı kapmasamaktadır. SPION alanında ise, sülfonik asit fonksiyonel, küçük ve kararlı SPION'lar, hedefli ilaç taşınımı ve görüntülemeden, fototermal terapiye kadar çeşitli alanlarda kullanılması amacı ile üretilmiştir. İkinci bölümde, aurik asidin su içerisinde dallı polietilenimin ile geniş bir pH aralığında doğrudan indirgenmesiyle küçük, katyonik altın nanoparçacıkları (ANP) sentezlenmesi incelenmiştir. Bazik pH ortamında PEI kaplı ANP ilk kez çalışılmıştır. Bazik pH'da PEI'nin hem daya iyi bir indirgeyici olması, hem de yüzey pasivasyonu elde edilmesini sağlamıştır. Böylece daha uzun süre stabiliteye sahip ve daha keskin yüzey plasmon bandına sahip, hidrodinamik boyutu yaklaşık 6 nm olan ANPler sentezlenmiştir. Bu sentez yöntemi ile farklı moleküler ağırlığa sahip (0.6, 1.8, 10, 25kDa) dallı PEI'ler ile kolloidal ANP'ler üretilmiştir. Moleküler ağırlık, kristal boyutunu çok etkilememiş ancak hidrodinamik boyutu ve kararlılığı etkilemiştir. Üçüncü bölümde de benzer parametreler lineer PEI (lPEI) kullanılarak incelenmiştir. lPEI, bPEIye göre daha biyouyumlu olarak kabul edilir. lPEI yapısında bPEIye göre primer amin grubu bulunmadığı için aurik asidin indirgenmesini ve nanoparçacıkların kararlılığını etkileyen faktörlerin farklı olması beklenmektedir. Küçük, kararlı katyonik ANPler su içerisinde lPEI ile ilk kez sentezlenmiştir. lPEI'nin protonlanması ve deprotonasyonu, indirgeme, yüzey adsorpsiyonu ve parçacık kararlılığı için değerli bir değişkendir. PEI / Au oranı, polimer molekül ağırlığı (2.5 ve 25 kDa), reaksiyon pH'ı (3.5 ila 10), lPEInin çözünme metodu ve sentez sonrası pH'ın parçacık özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Son olarak, ANP'lerin toplanmasını önlemek için iki farklı saflaştırma yöntemi değerlendirilmiştir. Polimerin moleküler ağırlığından bağımsız olarak, kolloidal lPEI-GNP sentezi ve uzun vadeli kararlılığı için lPEInin protonasyonuna ihtiyaç vardır. lPEI-GNP sentezi ve kararlılığı için en iyi yöntem lPEI protone ederek çözmek ve kontrollü santrifüj çökeltmesi ile temizlemektir. Moleküler ağırlık hidrodinamik boyutu, kararlılığı veya parçacık şeklini etkilememiştir, ancak düşük moleküler ağırlığına sahip olan lPEIler fasetlenmiş partiküllerin oluşmasını sağlamıştır. Çalışılan metot, küçük kararlı katyonik ANPlerin düşük moleküler ağırlığa sahip PEI'ler kullanılarak dahi tek seferde su içerisinde sentezlenmesine olanak sağladığı için değerli ve kolay bir alternatif sentez yöntemi olmuştur. Dördüncü bölümde, anyonik altın nanoparçacıkları, kaplama olarak 3MPA ve indirgeyici bir ajan olan NaBH4 kullanılarak modifiye edilmiş tek fazlı Brust-Schiffrin metodu ile sentezlenmiştir. Bu nanoparçacıklar öncelikle, sepsis tedavisinde kan-beyin bariyeri (KBB) boyunca poliklonal Immunoglobulin G'nin (IgG) daha iyi taşınması için biyolojik olarak uyumlu bir nanotaşıyıcı olarak hazırlanmıştır. Bu GNP'ler, KBB'yi geçmek için glikoz ile dekore edilmiş ve IgG, asitle ayrılabilir hidrazon bağlantıları ile GNP'lere konjuge edilmiştir. Bu deneyler sırasında, glikoz ve poliklonal IgG konjugasyon parametreleri derinlemesine incelenmiştir Kullanılan IgG poliklonal olduğu için, geniş bir izoelektrik nokta aralığına (pH 6.3-8.9) sahiptir. Bu sebeple doğru reak- siyon sırasını ve IgGye uygun doğru pH aralığında konjugasyon deneylerinin optimize edilmesi zaman almıştır. Ek olarak, poliklonal IgGye bakteriyel atakları engellemek için uygun çalışma ortamını anlamak başka bir zorluk olmuştur. Beşinci bölümde, fonksiyonel, kararlı, görünür ve yakın-kızıl ötesi (NIR) bölgede absorpsiyonu olan ANPleri sentezi çalışılmıştır. Nispeten yeni olan altın-altın sülfit nanoyapıları, fonksiyonelliğini ve kararlılığını arttırmak amacıyla ilk kez kaplama malzemeleri kullanılarak sentezlenmiştir. Geliştirilen bu parçacıkların, ilaç taşınımı ve fototermal terapi potensiyelleri incelenmiştir. Son bölümde, yeni, çevreci ve tek basamakta sentezlenen sülfonik asit fonksiyonel SPION sentez yöntemi geliştirilmiştir. Bunun için kopresipitasyon yöntemi ve in situ (trihidroksisilil) -l-propanesülfonik asit kaplama olarak kullanılarak sülfonik asit fonksiyonel SPIONlar sentezlenmiştir. Geleneksel sentez methodu organik çözücü içerdiği için, yeni ve su ortamında yapılan sentez metodu özellikle biyomedikal uygulamalar için daha uygundur. Önerilen nanoparçacık hem katalizde hem de katyonik hedefleme molekülleri, ilaçlar ve ışığa duyarlılaştırıcılar yüklenerek hedefli kombine tedavilerde kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
In the past few decades, nanoparticles have gained great importance in research and industry due to their adjustable chemical, physical, and biological properties. Gold nanoparticles (GNPs) and superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) are the two most studied and most attractive structures. These nanoparticles have been used in a variety of applications such as catalysis, sensors, energy, and medicine for therapeutic and imaging purposes. In this thesis, we aimed to develop extensive experience in gold nanoparticle synthesis and functionalization to control the particle size, stability, absorbance characteristics and surface chemistry to build a nanoparticle-based toolbox to be used in different applications from medicine to catalysis. For that purpose, a broad portfolio of functional gold nanoparticles by using different reducing and coating materials was produced. Cationic GNPs with polyethylenimine (PEI) is one of the target structures of this thesis due to its potential in gene delivery and polyelectrolytes nature. Anionic GNPs is another target structure for its potential in catalysis and medicine. In the field of SPIONs, sulfonic acid functionalized, small and stable SPIONs were produced as potential nanoparticles for a variety of purposes from targeted drug delivery and imaging to photo thermal therapy. In the second chapter, synthesis of small, cationic GNPs by the direct reduction of auric acid in a non-reducing solvent, water, with branched polyethylenimine (bPEI) in a broad pH range (3.0-9.0) was described. Basic pH, which was studied for the first time, emerged as a favorable condition to achieve good reducing power and surface passivation simultaneously, providing small particles (hydrodynamic size ca 6 nm) with enhanced long-term stability and sharper surface plasmon resonance peak (SPR). This synthetic method produces colloidal GNPs with bPEI in a broad molecular weight range (0.6, 1.8, 10, 25kDa). Molecular weight (MW) did not influence the crystal size much but the hydrodynamic size and the stability. This synthetic approach was adopted to GNPs produced by linear PEI (lPEI) in the third chapter. lPEI is accepted as more biocompatible than bPEI and in reduction of auric acid and stabilization of nanoparticles expected to behave differently since it lacks primary amines. Small, stable cationic GNPs were prepared for the first time with lPEI in water. Protonation and deprotonation of lPEI is a valuable variable for reduction, surface adsorption and stability. Impact of the PEI/Au ratio, polymer molecular weight (2.5 and 25 kDa), reaction pH (3.5 to 10), method of lPEI dissolution and post-synthetic pH on particle properties were studied. Finally, two different purification methods were evaluated to prevent the aggregation of GNPs. Protonation of PEI is needed for the synthesis and long-term stability of colloidal lPEI/GNPs regardless of the polymer MW. The best is to dissolve lPEI by protonation and to clean GNPs via controlled centrifugal precipitation. MW did not influence the hydrodynamic size, stability or particle shape, but low MW lPEI provided facetted particles. This simple one pot synthesis of small, stable cationic GNPs in water is a valuable, simple alternative for producing new cationic GNPs with even low molecular weight lPEI. In the fourth chapter, anionic gold nanoparticles were synthesized by a modified single-phase Brust-Schiffrin method by using 3-mercaptopropionic acid as the coating and NaBH4 as a reducing agent. Those nanoparticles were primarily prepared as a biocompatible nanocarrier for enhanced transport of polyclonal Immunoglobulin G (IgG) across blood-brain barrier (BBB) in sepsis treatment. These GNPs were decorated with glucose to pass BBB and IgG was conjugated to GNPs with acid cleavable hydrazone linkages. Synthetic parameters for glucose and polyclonal IgG conjugation to GNPs were thoroughly investigated. Since IgG was polyclonal, it had a wide range of isoelectric point (pH 6.3-8.9) making the optimization of reaction pH and order of functionalization quite challenging. Additionally, understanding the appropriate working environment with IgG was another challenge due to the bacterial attack. In the fifth chapter, synthesis of reproducible, functional, and stable gold nanoparticles with absorbance in the visible and near-infra red (NIR) region were described. Relatively new, gold-gold sulfide nanostructures with functional, stabilizing coatings were developed for the first time and their utility in drug delivery and photothermal therapy were investigated. In the last capter, a novel, green, one-pot aqueous synthesis method of sulfonic acid functionalized SPIONs were developed by utilizing the co-precipitation method and in-situ coating with (trihydroxysilyl)-1-propanesulfonic acid. The conventional synthesis method involves organic solvent. The new aqueous synthesis method described here is more suitable for biomedical applications. The proposed nanoparticle can be used in both catalysis and targeted combined therapies by loading cationic targeting molecules, drugs, and photosensitizers.
Benzer Tezler
- Effects of metal and metal oxide nanoparticles on secondary metabolite synthesis, seed germination, biochemical and molecular characterization of Digitalis ferruginea subsp. ferruginea
Metal ve metal oksit nanoparçacıkların Digitalis ferruginea subsp. ferruginea bitkisinde sekonder metabolit sentezi, tohum çimlenmesi, biyokimyasal ve moleküler karakterizasyonlar üzerindeki etkileri
DIPUL KUMAR BISWAS
Doktora
İngilizce
2024
BiyolojiBolu Abant İzzet Baysal ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SONGÜL GÜREL
- STAT5 ifadesi arttırılan renal hücreli karsinomada çinko oksit nanopartiküllerinin yağ asit metabolizması ile ilişkili hücre ölüm yolaklarına etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of zinc oxide nanoparticles on cell death pathways associated with fatty acid metabolism in renal cell carcinoma with increased STAT5 expression
AYŞE SİMAY METİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Biyolojiİstanbul Kültür ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE RENCÜZOĞULLARI
- Synthesis and characterization of magnesium cobalt oxide and chromium cobalt oxide nanoparticles anchored ZnO semiconductor and their investigation as a catalyst in electrochemical water splitting
Magnezyum kobalt oksit ve krom kobalt oksit nanoparçacıklarına bağlı ZnO yarı iletkenlerinin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal su bölmesinde katalizör olarak incelenmesi
EMİNE ECEM NAS
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMREN NALBANT
- Kestane balı kullanılarak ZnO nanopartiküllerin yeşil sentezi, karakterizasyonu ve biyolojik aktivitelerinin incelenmesi
Investigation of green synthesis, structural characterization and biological activities of ZnO nanoparticles using chestnut honey
SİMGE NUR GENÇAY
- Farklı üretim özelliğine sahip nanomalzemelerin bitkiler üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation of effects of nanomaterials which have produced by different methods on plant development
ÖZGÜR NAZİKCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Çevre MühendisliğiAnadolu Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. ALİ SAVAŞ KOPARAL