Multifunctional magnetically loaded polyorganosiloxane nanocomposites for biomedical applications

For the last few decades, the interest in functional nanomaterials is steadily increasing. Especially, in biomedicine the range of possible applications of multifunctional nanoparticles including dye-labeled makers and drug loaded carrier systems is extraordinary large. The incorporation of magnetic nanoparticles allows for an additional magnetic detection and manipulation. One promising system on the way to multifunctional nanomaterials is the polyorganosiloxane system. Via polycondensation of silan monomers in aqueous dispersion polyorganosiloxane nanoparticles with particle diameter between 10 and 150 nm can be synthesized. The versatile silane chemistry allows for the design of multifunctional network structures. In this work, hydrophilic iron oxide nanoparticles could be encapsulated into the polymeric particles in a highly efficient process whereat the superparamagnetic nature of the inorganic particles was restrained. The influence of different sized particles as well as the amount of the incorporated material was investigated. Using a core-shell architecture, controlled core and surface modifications could be achieved. An effective fluorescent labeling was performed via incorporation of dye-labeled monomers. Additionally, a hydrophilic surface modification was carried out via a grafting onto process of poly(ethylene glycol). Individual core and surface functionalization was achieved and the influence of the modification on the efficiency of the magnetic loading was tested. The applicability of the multifunctional particles in biological systems was proved via cellular uptake and toxicity testings. Furthermore, biofunctionalized particles were synthesized by EDC coupling using biotin and insulin.rnrn

Während der letzten Jahrzehnte haben funktionelle Nanopartikel zunehmend wissenschaftliches Interesse geweckt. Besonders in biomedizinischen Anwendungen finden multifunktionelle polymere Materialien vielseitige Einsatzmöglichkeiten beispielsweise als farbstofffunktionalisierte Marker oder wirkstoffbeladene Transportsysteme. Der Einbau magnetischer Nanopartikel ermöglicht zusätzlich eine magnetische Detektion und Manipulation. Ein vielversprechendes System auf dem Weg zu multifunktionellen Nanopartikeln stellen Polyorganosiloxan Partikel dar. Durch Polykondensation von Silanmonomeren in wässriger Dispersion können Polyorgansiloxan Nanopartikel im Größenbereich von 10 bis 150 nm im Durchmesser hergestellt werden. Die vielseitige Silanchemie ermöglicht den Aufbau multifunktioneller Netzwerksysteme. In der vorliegenden Arbeit, konnten hydrophile Eisenoxidnanopartikel effizient und unter Erhalt ihrer superparamagnetischen Eigenschaften in die Polymerpartikel eingebaut werden. Der Einfluss verschiedener Partikelgrößen sowie verschiedener Eisenoxidgehalte wurde untersucht. Durch den Aufbau einer Kern-Schale-Architektur konnte eine gezielte Modifizierung des Partikelinneren und der Partikeloberfläche erreicht werden. Durch den Einbau fluoreszenzmodifizierter Monomere konnte eine Farbstoffmarkierung des Partikelkerns erzielt werden. Zusätzlich wurde eine hydrophile Oberflächenmodifizierung mittels Polyethlenoxid durchgeführt. Die Funktionalisierungen wurden unabhängig voneinander sowie in Kombination durchgeführt und der Einfluss der Funktionalisierung auf die Effizienz der magnetischen Beladung untersucht. Die Anwendbarkeit der synthetisierten Partikel in biomedizinischen Anwendungen wurde mit Hilfe von Zellaufnahme und Toxizitätstests nachgewiesen. Des Weiteren wurden biofunktionalisierte Partikel mittels EDC-Kopplung mit Biotin und Insulin hergestellt.