Charakterisierung von Nanopartikel-Protein-Agglomeraten in biologisch relevanten Medien

In der vorliegenden Forschungsarbeit wurden drei unterschiedliche Nanomaterialien untersucht, welche unter physiologischen Bedingungen ein unterschiedliches Verhalten aufwiesen. Bei diesen Materialien handelte es sich um stabilisatorfreie Legierungs-Nanopartikel aus der Laser-Ablation, amorphe Silica- sowie um Poly(organosiloxan) Nanopartikel. Im Hinblick auf in vitro Zellstudien wurde eine Größencharakterisierung in Zellmedium in Gegenwart von Proteinen aus fötalem Rinderserum durchgeführt. Um Vorteile einzelner Charakterisierungsmethoden zu kombinieren und gleichzeitig Nachteile zu kompensieren, wurden zur umfangreichen Charakterisierung die Statische Lichtstreuung, die Dynamische Lichtstreuung sowie die Asymmetrische Fluss Feld-Fluss Fraktionierung angewandt. Weiterhin wurde die Asymmetrische Fluss Feld-Fluss Fraktionierung mit einem online MALLS Detektor gekoppelt. Es handelt sich hierbei um einen Prototyp, bei dem durch einen hydrodynamisch fokussierten Probestrahl eine Minimierung des Probevolumens erfolgt. Die Legierungs-Nanopartikel wiesen unter physiologischen Salzbedingungen eine nur unzureichende elektrostatische Stabilität auf, zeigten jedoch höhere Stabilität in Gegenwart von Serumproteinen. Im Gegensatz hierzu waren amorphe Silica Nanopartikel unter hohen Salzkonzentrationen stabil, aggregierten jedoch in Gegenwart von Proteinen. Das Agglomerationsverhalten der amorphen Silica Nanopartikel wurde genauer untersucht, indem hierauf ein in dieser Arbeit hergeleitetes Modell der Wachstumsfunktionen von Teilchen-Cluster- und Cluster-Cluster-Aggregaten angewandt wurde. Poly(organosiloxan) Nanopartikel wiesen in Gegenwart von Serumproteinen keine Aggregate auf. Anhand dieser Probe wurde die Dicke der Proteinkorona durch ein statisches Lichtstreuexperiment bestimmt, welches einen alternativen Zugang zu bereits etablierten Methoden wie der Dynamischen Lichtstreuung, der Fluoreszenz Korrelationsspektroskopie oder dem Particle Tracking darstellt. Als Ergebnis konnte für die Koagulation amorpher Silica Nanopartikel in Gegenwart von Serumproteinen der Mechanismus der verbrückenden Flockung nachgewiesen werden. Der Flockungsprozess war nach 10 Minuten abgeschlossen. Weiterhin war die Anzahl der gebildeten Brücken unabhängig von der vorhandenen Partikelzahl konstant, jedoch bestimmte die Größe der ursprünglichen Nanopartikel die absolute Anzahl der gebildeten Verbrückungen. Amorphe Silica Nanopartikel mit einem Radius von 10 und 15 nm wurden mit einem Faktor von 40 effizienter verbrückt als Partikel mit einem Radius von 60 nm. Die Anzahl der Proteine pro Verbrückung sowie ein größerer sterisch unzugänglicher Bereich nahe der Verbrückungsstelle sind für die geringere Verbrückungseffizienz großer Teilchenspezies verantwortlich. Die Proteinkorona auf Poly(organosiloxan) Nanopartikeln wurde auf eine Dicke von 1,5 nm bestimmt. Diese verkleinerte sich durch PEGylierung des Nanomaterials auf eine Dicke von 0,4 nm. Diese Funde wurden mittels Asymmetrischer Fluss Feld-Fluss Fraktionierung bestätigt. Unter der Annahme starrer Proteine entsprechen diese Werte einer Oberflächenbedeckung von 48% bzw. 12%. Im Falle der nicht- PEGylierten Probe wurde die scheinbar unvollständige Oberflächenbelegung aufgrund der Entfaltung der Proteine auf kolloidalen Oberflächen erhalten. Zusätzlich entstehen bei statistischer Verteilung adsorbierter Proteine keine Dichtestpackungen, sondern sterisch unzugängliche Bereiche auf der Nanopartikel Oberfläche, wodurch die maximale Oberflächenbelegung nicht 100% entspricht.

In this study, three different kinds of nanomaterials were investigated revealing diverse properties under physiological conditions. These were stabilizer free alloy nanoparticles from laser ablation, amorphous silica and poly(organosiloxane) nanoparticles. With regards to in vitro cell studies, size characterization of nanoparticles took place in cell culture media in presence of fetal bovine serum proteins. To combine the benefits of different characterization techniques and to compensate single drawbacks, Static Light Scattering, Dynamic Light Scattering and Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation were applied. Furthermore, the coupling of Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation to a prototype online MALLS detector offering minimal sample volume was established. The alloy nanoparticles exhibited insufficient electrostatic stabilization at physiological salt conditions, however featuring increased stability after serum protein adsorption. In contrast amorphous silica nanoparticles were stable at high salt conditions and aggregates were formed rapidly in presence of proteins. Hence, agglomeration behavior of silica nanoparticles was investigated in detail by applying a model describing growth behavior of particle-cluster and cluster-cluster aggregates, which was also derived in this study. Poly(organosiloxane) nanoparticles did not show any aggregation behavior, though the thickness of the protein corona was investigated by applying Static Light Scatting experiments representing an alternative approach to already established methods such as Dynamic Light Scattering, Fluorescence Correlations Spectroscopy or Particle Tracking. As result for silica nanoparticles in presence of proteins, evidence for the mechanism of bridging flocculation was provided. The flocculation process was completed after 10 minutes. Furthermore, the number of bridges was observed being constant independent of the number of particles present. However the size of the pristine nanomaterial determined the absolute number of bridges. Amorphous silica nanoparticles with a radius of 10 nm and 15 nm were bridged more efficiently with a factor of 40, compared to amorphous silica nanoparticles with a radius of 60 nm. The number of proteins participating in a bridge, as well as an increased area of steric hindrance close to the bridging location, was responsible for a loss of bridging efficiency of proteins in case of larger silica particle species. The protein corona onto poly(organosiloxane) nanoparticles exhibited a size of 1.5 nm. By PEGylation of the nanomaterial, the corona decreased to a size of 0.4 nm. These obervations were confirmed by Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation experiments. These thicknesses corresponded to surface coverage of 48% and 12%, respectively, considering rigid proteins. The apparent incomplete surface coverage of the non-PEGylated sample is a result of the unfolding of proteins at colloidal surfaces. Additionally, a statistically arrangement of adsorbed proteins does not lead to a compact packing, instead spots of unapproachable surface will be formed, which lower the maximum surface coverage directly.