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Hendrik Naatz
Energy Levels and Dissolution: Two Predictors of Metal Oxide Nano-Bio Interactions
Der steigende Einsatz synthetischer Nanomaterialien erfordert zuverlässige Vorhersagen über deren Auswirkungen auf die Umwelt. In dieser Arbeit werden mit den Energieniveaus und dem Auflösungsverhalten von Metalloxid-Nanopartikeln in biologischen Umgebungen zwei wesentliche Prädiktoren für deren Toxizität untersucht.
Überschneiden sich die in Metalloxid-Nanopartikeln verfügbaren Energieniveaus wie Leitungs- und Valenzband mit denen der biologischen Umgebung, können zellschädigende Reaktionen ausgelöst werden. Zur Quantifizierung der Energieniveaus unter umweltnahen Bedingungen wurde ein Herstellungsverfahren für poröse Nanopartikelelektroden entwickelt, welches eine elektrochemische Charakterisierung der Nanopartikel ermöglicht. In Relation zur biologischen Umgebung kann aus den Messungen die potentielle Toxizität der Partikel vorhergesagt werden.
Setzen Nanomaterialen wie Kupferoxid durch Auflösung schädliche Stoffe frei, bestimmt die Auflösungskinetik in Relation zu regulatorischen Mechanismen der Zelle die Auswirkungen auf den Organismus. Die Modifizierung der Partikel mit Eisen während der Partikelsynthese führt zu einer signifikanten Reduzierung der Auflösung und der Toxizität. In dieser Arbeit wurde die Auflösungskinetik von Kupferoxid-Nanopartikeln untersucht und ein Kinetikmodell zur Beschreibung der Prozessparameter entwickelt.
Durch die modellgestützte Anpassung der Kinetik an die Zellumgebung konnte die Toxizität in der Nanomedizin gezielt eingesetzt werden um Krebszellen anzugreifen, ohne dabei gesunde Zellen zu beeinträchtigen. In Kombination mit einer Immuntherapie verschwanden Tumore in einer in vivo Studie vollständig. Auch dort, wo die konventionelle Chemotherapie durch Resistenzbildung versagt, ist der Ansatz mit Nanopartikeln erfolgsversprechend.
Überschneiden sich die in Metalloxid-Nanopartikeln verfügbaren Energieniveaus wie Leitungs- und Valenzband mit denen der biologischen Umgebung, können zellschädigende Reaktionen ausgelöst werden. Zur Quantifizierung der Energieniveaus unter umweltnahen Bedingungen wurde ein Herstellungsverfahren für poröse Nanopartikelelektroden entwickelt, welches eine elektrochemische Charakterisierung der Nanopartikel ermöglicht. In Relation zur biologischen Umgebung kann aus den Messungen die potentielle Toxizität der Partikel vorhergesagt werden.
Setzen Nanomaterialen wie Kupferoxid durch Auflösung schädliche Stoffe frei, bestimmt die Auflösungskinetik in Relation zu regulatorischen Mechanismen der Zelle die Auswirkungen auf den Organismus. Die Modifizierung der Partikel mit Eisen während der Partikelsynthese führt zu einer signifikanten Reduzierung der Auflösung und der Toxizität. In dieser Arbeit wurde die Auflösungskinetik von Kupferoxid-Nanopartikeln untersucht und ein Kinetikmodell zur Beschreibung der Prozessparameter entwickelt.
Durch die modellgestützte Anpassung der Kinetik an die Zellumgebung konnte die Toxizität in der Nanomedizin gezielt eingesetzt werden um Krebszellen anzugreifen, ohne dabei gesunde Zellen zu beeinträchtigen. In Kombination mit einer Immuntherapie verschwanden Tumore in einer in vivo Studie vollständig. Auch dort, wo die konventionelle Chemotherapie durch Resistenzbildung versagt, ist der Ansatz mit Nanopartikeln erfolgsversprechend.
Schlagwörter: nanoparticle toxicity; nano-bio interactions; energy levels; flat band potential; dissolution kinetics; pharmacokinetics; nanomedicine
Forschungsberichte aus dem Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil. Ekkard Brinksmeier, Bremen
Band 87
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