Ziel dieser Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von fluoreszierenden Nanopartikeln sowie deren Modifikation in Größe, Form, Aufbau und Ligandenhülle. Des Weiteren sollte eine Kombination von Methoden gefunden werden, die Aufschluss über die Biokompatibilität bzw. Toxizität dieser Nanopartikel in Abhängigkeit der genannten Modifikationsparameter geben kann. Als fluoreszierende Nanopartikel-Modellsysteme wurden hierfür sowohl spherische CdSe/CdS und CdSe/CdS/ZnS als auch elongierte und mit Tellur dotierte CdSe-Partikel synthetisiert. Das Einbringen von Tellur in CdSe resultierte in einer Verschiebung der Lumineszenz in den nahen IR- Bereich, wobei die Größe der Partikel unverändert blieb. Im Anschluss an die Synthese wurden die Partikel mittels Ligandenaustauschs mit polyethylenoxid- oder polyglycerolbasierenden Liganden unterschiedlicher Länge, Struktur und Funktionalität aus unpolaren Lösungsmitteln in wässrige Lösungen überführt. Die Stabilität dieser unterschiedlich ummantelten Partikel wurde durch die Löslichkeit und Fluoreszenz in diversen, für die Zellkultur relevanten Medien bestimmt. Nach dem Phasentransfer in wässrige Lösungen wurde die Biokompatibilität der Partikel an ausgewählten humanen Zelllinien untersucht, die stellvertretend für die Hauptaufnahmewege (Haut, Lunge und Darm) von Nanopartikeln in den Menschen stehen. Auch hier wurden die oben genannten Modifikationsparamter variiert. Es zeigte sich, dass die organische Umhüllung neben der Konzentration den weit größten Effekt auf die Biokompatibilität der Nanopartikel hat.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Toxizität von CdSe-Halbleiternanopartikeln im Labor kontrolliert gesteuert werden kann und diese Partikel so für eine Reihe von Anwendungsgebieten (einschließlich Zellexperimenten) einsetzbar sind. Die am CdSe-Modellsystem gewonnene Expertise und die hier vorgestellte Kombination von Messmethoden kann für andere Typen von Nanopartikeln genutzt werden.
KurzfassungThe aim of this work was to synthesize fluorescent nanoparticles, to create the right surface chemistry for the sake of biocompatibility, to characterize them, and to develop a method to evaluate the toxicity and interaction of colloidal nanoparticles, depending on size, shape and organic surface passivation, in human cell culture models. The focus was laid on CdSe nanoparticles as a host system because it has a series of advantages compared to other materials. Spherical CdSe/CdS and CdSe/CdS/ZnS nanoparticles as well as elongated particles and alloyed particles with tellurim were grown. By introducing tellurium to CdSe particles the PL wavelength has been successfully shifted into near-IR without changing the size of the particles. Synthesis methods to produce high quality elongated core/shell/shell particles and quantum dot/quantum rod particles are presented. After synthesis, the nanoparticles were transferred from non-polar organic solvents into water according to a ligand exchange reaction. The polymers chosen for this procedure were poly(ethylene oxide) and poly glycerol based ligands of different length, structure, and different functionality. The stability of the particles functionalized by different polymers was investigated with respect to solubility and PL in different cell culture relevant media and with respect to photochemical degradation. After synthesis and transfer into water, the particles were applied on different cell culture models mimicking the main exposure sites of particles towards humans. The effects on the cells were measured as a function of particle concentration, size, shape and passivation, both organic and inorganic using a variety of methods. It has been found that the effect of the organic passivation is tremendous.
The findings in this work show that CdSe based particles can be used in a variety of applications including cell experiments. The toxicity depends on multiple factors and can be minimized by combining a proper organic and inorganic shell around the toxic CdSe core. These results can be applied to other types of nanoparticles. However, each type of nanoparticle needs to be characterized individually concerning its potential toxicity. This can be done by the combination of analytical methods developed herein.