Photoluminescence properties of CaTiO3:Eu3+ nanophosphor obtained by the polymeric precursor method

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Recent advances in nanoparticle carriers for coordination complexes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Polymeric and solid lipid nanoparticles for sustained release of carbendazim and tebuconazole in agricultural applications

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

DERIVATIVE SPECTROPHOTOMETRIC METHOD FOR DEYERMINATION OF ACYCLOVIR IN POLYMERIC NANOPARTICLES

A derivative spectrophotometric method was validated for quzintification of acyclovir in poly (n-butylcyanoacrylate) (PBCA) nanoparticles. Specificity, linearity. precision, accuracy, recovery. detection (LOD) and quantification (LOQ) Inuits were established for method validation. First-derivative it 295.2 nm eliminated interferences from nanoparticle ingredients and presented linearity for acyclovir concentrations ranging front 1.25 to 40.0 mu g/mL. (r = 0.9999). Precision and accuracy data demonstrated good reproducibility. Recovery ranged from 99.3 to 101.2. LOD) was 0.08 mu g/mL and LOQ. 0.25 mu g/mL. Thus. the proposed method proved to be easy. low cost. and accurate, and therefore, an useful alternative to quantify acyclovir in nanoparticles.

Derivative spectrophotometric method for determination of acyclovir in polymeric nanoparticles

A derivative spectrophotometric method was validated for quantification of acyclovir in poly (n-butylcyanoacrylate) (PBCA) nanoparticles. Specificity, linearity, precision, accuracy, recovery, detection (LOD) and quantification (LOQ) limits were established for method validation. First-derivative at 295.2 nm eliminated interferences from nanoparticle ingredients and presented linearity for acyclovir concentrations ranging from 1.25 to 40.0 µg/mL (r = 0.9999). Precision and accuracy data demonstrated good reproducibility. Recovery ranged from 99.3 to 101.2. LOD was 0.08 µg/mL and LOQ, 0.25 µg/mL. Thus, the proposed method proved to be easy, low cost, and accurate, and therefore, an useful alternative to quantify acyclovir in nanoparticles.

Theoretical investigation of the interaction of a polymer film with a nanoparticle

The fundamental aim in our investigation of the interaction of a polymer film with a nanoparticle is the extraction of information on the dynamics of the liquid using a single tracking particle. In this work two theoretical methods were used: one passive, where the motion of the particle measures the dynamics of the liquid, one active, where perturbations in the system are introduced through the particle. In the first part of this investigation a thin polymeric film on a substrate is studied using molecular dynamics simulations. The polymer is modeled via a 'bead spring' model. The particle is spheric and non structured and is able to interact with the monomers via a Lennard Jones potential. The system is micro-canonical and simulations were performed for average temperatures between the glass transition temperature of the film and its dewetting temperature. It is shown that the stability of the nanoparticle on the polymer film in the absence of gravity depends strongly on the form of the chosen interaction potential between nanoparticle and polymer. The relative position of the tracking particle to the liquid vapor interface of the polymer film shows the glass transition of the latter. The velocity correlation function and the mean square displacement of the particle has shown that it is caged when the temperature is close to the glass transition temperature. The analysis of the dynamics at long times shows the coupling of the nanoparticle to the center of mass of the polymer chains. The use of the Stokes-Einstein formula, which relates the diffusion coefficient to the viscosity, permits to use the nanoparticle as a probe for the determination of the bulk viscosity of the melt, the so called 'microrheology'. It is shown that for low frequencies the result obtained using microrheology coincides with the results of the Rouse model applied to the polymer dynamics. In the second part of this investigation the equations of Linear Hydrodynamics are solved for a nanoparticle oscillating above the film. It is shown that compressible liquids have mechanical response to external perturbations induced with the nanoparticle. These solutions show strong velocity and pressure profiles of the liquid near the interface, as well as a mechanical response of the liquid-vapor interface. The results obtained with this calculations can be employed for the interpretation of experimental results of non contact AFM microscopy

Polymer-nanoparticle composites: from orientation phenomena to optoelectronic applications

Polymer-nanoparticle hybrids show synergistic effects, demonstrating both, the unique properties of nanosized structures and the good processability and functionalities of polymeric materials. This work shows the synthesis and application of block copolymers containing a soluble, functional block and a short anchor block, which efficiently binds to the surface of nanocrystals. We functionalized anisotropic, semiconducting nanoparticles, which can be dissolved in organic and polymeric matrices upon modification. The modified nanorods have the ability to form liquid crystalline phases, which behave similar to low molecular liquid crystals with a reversible clearing behaviour. These liquid crystalline phases could also be obtained in hole conducting matrices. For a macroscopic orientation of the nanorods, electric fields were applied and a switching (in analogy to known liquid crystals) to a homeotropic orientation was observed.rnBy introduction of dye molecules in the anchor block of a hole conducting block copolymer, all essential components of a solar cell can be combined in a single particle. Light absorption of the dye induces the injection of electrons into the particles, followed by a charging, that was monitored by a special AFM technique.rnLight emitting nanocrystals were functionalized analogously with a hole transporting polymer. The stability of the particles could be enhanced by the sterically stabilizing polymer corona and the particles showed improved properties in terms of processing. We applied these hybrid materials in light emitting devices, which showed better characteristics due to an improved hole injection and well dispersed emitting particles in the active device layer.rnThe work shows the broad spectrum of properties and applications based on the synergistic effects in hybrid and composite materials.

Design of nanoparticle systems with antimicrobial properties

Infektiöse Komplikationen im Zusammenhang mit Implantaten stellen einen Großteil aller Krankenhausinfektionen dar und treiben die Gesundheitskosten signifikant in die Höhe. Die bakterielle Kolonisation von Implantatoberflächen zieht schwerwiegende medizinische Konsequenzen nach sich, die unter Umständen tödlich verlaufen können. Trotz umfassender Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen ist das Spektrum an wirksamen Substanzen aufgrund der Anpassungsfähigkeit und Ausbildung von Resistenzen verschiedener Mikroorganismen eingeschränkt. Die Erforschung und Entwicklung neuer antibakterieller Materialien ist daher von fundamentaler Bedeutung.rnIn der vorliegenden Arbeit wurden auf der Basis von Polymernanopartikeln und anorganischen/polymeren Verbundmaterialien verschiedene Systeme als Alternative zu bestehenden antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen entwickelt. Polymerpartikel finden Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen, da sowohl Größe als auch Zusammensetzung und Morphologie vielseitig gestaltet werden können. Mit Hilfe der Miniemulsionstechnik lassen sich u. A. funktionelle Polymernanopartikel im Größenbereich von 50-500 nm herstellen. Diese wurde im ersten System angewendet, um PEGylierte Poly(styrol)nanopartikel zu synthetisieren, deren anti-adhesives Potential in Bezug auf P. aeruginosa evaluiert wurde. Im zweiten System wurden sog. kontakt-aktive kolloide Dispersionen entwickelt, welche bakteriostatische Eigenschaften gegenüber S. aureus zeigten. In Analogie zum ersten System, wurden Poly(styrol)nanopartikel in Copolymerisation in Miniemulsion mit quaternären Ammoniumgruppen funktionalisiert. Als Costabilisator diente das zuvor quaternisierte, oberflächenaktive Monomer (2-Dimethylamino)ethylmethacrylat (qDMAEMA). Die Optimierung der antibakteriellen Eigenschaften wurde im nachfolgenden System realisiert. Hierbei wurde das oberflächenaktive Monomer qDMAEMA zu einem oberflächenaktiven Polyelektrolyt polymerisiert, welcher unter Anwendung von kombinierter Miniemulsions- und Lösemittelverdampfungstechnik, in entsprechende Polyelektrolytnanopartikel umgesetzt wurde. Infolge seiner oberflächenaktiven Eigenschaften, ließen sich aus dem Polyelektrolyt stabile Partikeldispersionen ohne Zusatz weiterer Tenside ausbilden. Die selektive Toxizität der Polyelektrolytnanopartikel gegenüber S. aureus im Unterschied zu Körperzellen, untermauert ihr vielversprechendes Potential als bakterizides, kontakt-aktives Reagenz. rnAufgrund ihrer antibakteriellen Eigenschaften wurden ZnO Nanopartikel ausgewählt und in verschiedene Freisetzungssysteme integriert. Hochdefinierte eckige ZnO Nanokristalle mit einem mittleren Durchmesser von 23 nm wurden durch thermische Zersetzung des Precursormaterials synthetisiert. Durch die nachfolgende Einkapselung in Poly(L-laktid) Latexpartikel wurden neue, antibakterielle und UV-responsive Hybridnanopartikel entwickelt. Durch die photokatalytische Aktivierung von ZnO mittels UV-Strahlung wurde der Abbau der ZnO/PLLA Hybridnanopartikel signifikant von mehreren Monaten auf mehrere Wochen verkürzt. Die Photoaktivierung von ZnO eröffnet somit die Möglichkeit einer gesteuerten Freisetzung von ZnO. Im nachfolgenden System wurden dünne Verbundfilme aus Poly(N-isopropylacrylamid)-Hydrogelschichten mit eingebetteten ZnO Nanopartikeln hergestellt, die als bakterizide Oberflächenbeschichtungen gegen E. coli zum Einsatz kamen. Mit minimalem Gehalt an ZnO zeigten die Filme eine vergleichbare antibakterielle Aktivität zu Silber-basierten Beschichtungen. Hierbei lässt sich der Gehalt an ZnO relativ einfach über die Filmdicke einstellen. Weiterhin erwiesen sich die Filme mit bakteriziden Konzentrationen an ZnO als nichtzytotoxisch gegenüber Körperzellen. Zusammenfassend wurden mehrere vielversprechende antibakterielle Prototypen entwickelt, die als potentielle Implantatbeschichtungen auf die jeweilige Anwendung weiterhin zugeschnitten und optimiert werden können.

Qualitative and absolute quantitative studies of the cell-nanoparticle interaction

This thesis focused on the polymer’s influence on the interaction of polymeric NPs with epithelial cells. Furthermore, the measurement of single submicron nanoparticles in a commercially available flow cytometer was established, to provide a new method in the toolbox for nanoparticle-cell studies. This gave way to develop a routine for the absolute quantification of intracellular NPs via flow cytometry. rnThe cellular uptake of poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and poly(L-lactide) (PLLA) nanoparticles was investigated via flow cytometry. PLLA-NPs were internalized the most efficiently. But upon co-incubation of PS and PLLA particles with cells, the two particles mutually influenced their uptake, slightly shifting the relative uptake efficiencies. This phenomenon should be based on specific properties of the different polymer materials. The findings indicated a competition (which is strongly influenced by properties of the respective polymeric material) for the uptake into the cells, allegedly due to competition for specific coatings with serum components that enhances the NPs’ cellular uptake. The fluorescence of single 150 nm particles was determined with a benchtop cytometer, breaching the machine’s detection limit but yielding precise NP fluorescence standardization factors. Up to now, these standardization factors are mostly determined by spectroscopic analysis of the particles’ dye content. Finally a flow cytometric routine for absolute particle counting in cells was devised. This quantitation revealed a low uptake efficiency for un-functionalized PMMA NPs of less than 150 NPs (approx. 0,001 % of added) per cell.rn

Drug delivery, entry and intracellular trafficking of polymeric nanoparticles

Polymere Nanopartikel sind kleine Teilchen, die vielseitige Einsatzmöglichkeiten für den Transport von Wirkstoffen bieten. Da Nanomaterialien in diesen biomedizinischen Anwendungen oft mit biologischen Systemen in Berührung kommen, erfordert das eine genaue Untersuchung ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen. In diesem speziellen Forschungsgebiet, welches sich auf die Interaktionen von Nanomaterialien mit biologischen Komponenten konzentriert, wurde bereits eine Vielzahl verschiedener Nanopartikel-Zell-Interaktionen (z. B. Nanotoxizität, Wirkstofftransport-mechanismen) analysiert. Bezüglich der Untersuchungen zu nanopartikulären Wirkstofftransport-mechanismen ist es im Allgemeinen akzeptiert, dass ein erfolgreicher zellulärer Transport hauptsächlich von der Aufnahme des Nanotransporters abhängt. Deshalb analysieren wir in dieser Arbeit (1) den Wirkstofftransportmechanismus für biologisch-abbaubare eisenhaltige Poly-L-Milchsäure Nanopartikel (PLLA-Fe-PMI) sowie (2) die Aufnahmemechanismen und die intrazellulären Transportwege von nicht-abbaubaren superparamagnetischen Polystyrolnanopartikeln (SPIOPSN). rnIn dieser Arbeit identifizieren wir einen bisher unbekannten und nicht-invasiven Wirkstoff-transportmechanismus. Dabei zeigt diese Studie, dass der subzelluläre Transport der nanopartikulärer Fracht nicht unbedingt von einer Aufnahme der Nanotransporter abhängt. Der identifizierte Arzneimitteltransportmechanismus basiert auf einem einfachen physikochemischen Kontakt des hydrophoben Poly-L-Milchsäure-Nanopartikels mit einer hydrophoben Oberfläche, wodurch die Freisetzung der nanopartikulären Fracht ausgelöst wird. In Zellexperimenten führt die membranvermittelte Freisetzung der nanopartikulären Fracht zu ihrem sofortigen Transport in TIP47+- und ADRP+- Lipidtröpfchen. Der Freisetzungsmechanismus („kiss-and-run") kann durch die kovalente Einbindung des Frachtmoleküls in das Polymer des Nanopartikels blockiert werden.rnWeiterhin wird in Langzeitversuchen gezeigt, dass die Aufnahme der untersuchten polymeren Nanopartikel von einem Makropinozytose-ähnlichen Mechanismus gesteuert wird. Im Laufe dieser Arbeit werden mehrere Faktoren identifiziert, die in diesem Aufnahmemechanismus eine Rolle spielen. Darunter fallen unter anderem die kleinen GTPasen Rac1 und ARF1, die die Aufnahme von SPIOPSN beeinflussen. Darauffolgend werden die intrazellulären Transportwege der Nanopartikel untersucht. Mit Hilfe eines neuartigen Massenspektrometrieansatzes wird der intrazelluläre Transport von nanopartikelhaltigen endozytotischen Vesikeln rekonstruiert. Intensive Untersuchungen identifizieren Marker von frühen Endosomen, späten Endosomen/ multivesikulären Körpern, Rab11+- Endosomen, Flotillin-Vesikeln, Lysosomen und COP-Vesikeln. Schließlich wird der Einfluss des lysosomalen Milieus auf die Proteinhülle der Nanopartikel untersucht. Hier wird gezeigt, dass die adsorbierte Proteinhülle auf den Nanopartikeln in die Zelle transportiert wird und anschließend im Lysosom abgebaut wird. rnInsgesamt verdeutlicht diese Arbeit, dass die klassische Strategie des nanopartikulären und invasiven Wirkstofftransportmechanismuses überdacht werden muss. Weiterhin lässt sich aus den Daten schlussfolgern, dass polymere Nanopartikel einem atypischen Makropinozytose-ähnlichen Aufnahmemechanismus unterliegen. Dies resultiert in einem intrazellulären Transport der Nanopartikel von Makropinosomen über multivesikuläre Körperchen zu Lysosomen.rn

Monitoring kinetic processes in polymeric colloids by fluorescence correlation spectroscopy

Polymerbasierte Kolloide mit Groen im Nanometerbereich werden als aussichts- reiche Kandidaten fur die Verkapselung und den Transport von pharmazeutischen Wirkstoen angesehen. Daher ist es wichtig die physikalischen Prozesse, die die Bil- dung, Struktur und kinetische Stabilitat der polymerbasierten Kolloide beein ussen, besser zu verstehen. Allerdings ist die Untersuchung dieser Prozesse fur nanome- tergroe Objekte kompliziert und erfordert fortgeschrittene Techniken. In dieser Arbeit beschreibe ich Untersuchungen, bei denen Zwei-Farben-Fluoreszenzkreuz- korrelationsspektroskopie (DC FCCS) genutzt wurde, um Informationen uber die Wechselwirkung und den Austausch von dispergierten, nanometergroen Kolloiden zu bekommen. Zunachst habe ich den Prozess der Polymernanopartikelherstellung aus Emul- sionstropfen untersucht, welcher einen der am haugsten angewendeten Prozesse der Nanopartikelformulierung darstellt. Ich konnte zeigen, dass mit DC FCCS eindeutig und direkt Koaleszenz zwischen Emulsionstropfen gemessen werden kann. Dies ist von Interesse, da Koaleszenz als Hauptgrund fur die breite Groenverteilung der nalen Nanopartikel angesehen wird. Weiterhin habe ich den Austausch von Mizellen bildenden Molekulen zwischen amphiphilen Diblock Kopolymermizellen untersucht. Als Modellsystem diente ein Linear-Burste Block Kopolymer, welches Mizellen mit einer dichten und kurzen Korona bildet. Mit Hilfe von DC FCCS konnte der Austausch in verschiedenen Losungsmitteln und bei verschiedenen Temperaturen beobachtet werden. Ich habe herausgefunden, dass in Abhangigkeit der Qualitat des Losungsmittels die Zeit des Austausches um Groenordnungen verschoben werden kann, was eine weitreichende Einstellung der Austauschkinetik ermoglicht. Eine Eigenschaft die all diese Kolloide gemeinsam haben ist ihre Polydispersitat. Im letzten Teil meiner Arbeit habe ich am Beispiel von Polymeren als Modellsystem untersucht, welchen Eekt Polydispersitat und die Art der Fluoreszenzmarkierung auf FCS Experimente haben. Eine Anpassung des klassischen FCS Modells kann die FCS Korrelationskurven dieser Systeme beschreiben. Die Richtigkeit meines Ansatzes habe ich mit dem Vergleich zur Gel-Permeations-Chromatographie und Brownschen Molekulardynamiksimulationen bestatigt.

Synthesis of Silver Nanoparticle Based Conductive Inks for Additively Manufactured Electronics

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Fabrication of magnetic drug-loaded polymeric composite nanofibres and their drug release characteristics

Magnetic polymer nanofibres intended for drug delivery have been designed and fabricated by electrospinning. Magnetite (Fe3O4) nanoparticles were successfully incorporated into electrospun nanofibre composites of two cellulose derivatives, dehydroxypropyl methyl cellulose phthalate (HPMCP) and cellulose acetate (CA), while indomethacin (IDN) and aspirin have been used as model drugs. The morphology of the neat and magnetic drug-loaded electrospun fibres and the release characteristics of the drugs in artificial intestinal juice were investigated. It was found that both types of electrospun composite nanofibres containing magnetite nanoparticles showed superparamagnetism at room temperature, and their saturation magnetisation and morphology depend on the Fe3O4 nanoparticle content. Furthermore, the presence of the magnetite nanoparticles did not affect the drug release profiles of the nanofibrous devices. The feasibility of controlled drug release to a target area of treatment under the guidance of an external magnetic field has also been demonstrated, showing the viability of the concept of magnetic drug-loaded polymeric composite nanofibres for magneto-chemotherapy.

Synthesis and evaluation of nanoparticle-polymer composites

This thesis describes the synthesis of functionalised polymeric material by variety of free-radical mediated polymerisation techniques including dispersion emulsion, seeded emulsion, suspension and bulk polymerisation reactions. Organic fluorophores and nanoparticles such as quantum dots were incorporated within polymeric materials, in particular, thiol-functionalised polymer microspheres, which were fluorescently labelled either during synthesis or by covalent attachment post synthesis. The resultant fluorescent polymeric conjugates were then assessed for their utility in biological systems as an analytical tool for cells or biological structures. Quantum dot labelled, thiol-functionalised microspheres were assessed for their utility in the visualisation and tracking of red blood cells. Determination of the possible internalisation of fluorescent microspheres into red blood cells was required before successful tracking of red blood cells could take place. Initial work appeared to indicate the presence of fluorescent microspheres inside red blood cells by the process of beadfection. A range of parameters were also investigated in order to optimise beadfection. Thiol-functionalised microspheres labelled successfully with organic fluorophores were used to image the tear film of the eye. A description of problems encountered with the covalent attachment of hydrophilic, thiol-reactive fluorescent dyes to a variety of modified polymer microspheres is also included in this section. Results indicated large microspheres were particularly useful when tracking the movement of fluid along the tear meniscus. Functional bulk polymers were synthesised for assessment of their interaction with titanium dioxide nanoparticles. Thiol-functionalised polymethyl methacrylate and spincoated thiouronium-functionalised polystyrene appeared to facilitate the attachment of titanium dioxide nanoparticles. Interaction assays included the use of XPS analysis and processes such as centrifugation. Attempts to synthesise 4-vinyl catechol, a compound containing hydroxyl moieties with potential for coordination with titanium dioxide nanoparticles, were also carried out using 3,4-dihydroxybenzaldehyde as the starting material.

POLYMER-NANOPARTICLE COMPOSITES FOR APPLICATIONS IN FLEXIBLE ELECTRONICS

The aim of this dissertation was to investigate flexible polymer-nanoparticle composites with unique magnetic and electrical properties. Toward this goal, two distinct projects were carried out. The first project explored the magneto-dielectric properties and morphology of flexible polymer-nanoparticle composites that possess high permeability (µ), high permittivity (ε) and minimal dielectric, and magnetic loss (tan δε, tan δµ). The main materials challenges were the synthesis of magnetic nanoparticle fillers displaying high saturation magnetization (Ms), limited coercivity, and their homogeneous dispersion in a polymeric matrix. Nanostructured magnetic fillers including polycrystalline iron core-shell nanoparticles, and constructively assembled superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized, and dispersed uniformly in an elastomer matrix to minimize conductive losses. The resulting composites have demonstrated promising permittivity (22.3), permeability (3), and sustained low dielectric (0.1), magnetic (0.4) loss for frequencies below 2 GHz. This study demonstrated nanocomposites with tunable magnetic resonance frequency, which can be used to develop compact and flexible radio frequency devices with high efficiency. The second project focused on fundamental research regarding methods for the design of highly conductive polymer-nanoparticle composites that can maintain high electrical conductivity under tensile strain exceeding 100%. We investigated a simple solution spraying method to fabricate stretchable conductors based on elastomeric block copolymer fibers and silver nanoparticles. Silver nanoparticles were assembled both in and around block copolymer fibers forming interconnected dual nanoparticle networks, resulting in both in-fiber conductive pathways and additional conductive pathways on the outer surface of the fibers. Stretchable composites with conductivity values reaching 9000 S/cm maintained 56% of their initial conductivity after 500 cycles at 100% strain. The developed manufacturing method in this research could pave the way towards direct deposition of flexible electronic devices on any shaped substrate. The electrical and electromechanical properties of these dual silver nanoparticle network composites make them promising materials for the future construction of stretchable circuitry for displays, solar cells, antennas, and strain and tactility sensors.