Interactions of gold nanoparticles with polymeric membranes

This thesis focuses on the interactions of nanoparticles with artificial membranes. The synthesis of the block copolymer poly(dimethylsiloxane)-block-poly(2-methyloxazoline) (PDMS-b-PMOXA) is described, as well as the formation of polymersomes in water. These polymersomes act as minimal cell models, consisting of an artificial bilayer membrane only, allowing the study of the interactions between nanoparticles and polymeric membranes. Both spherical and rod-shaped gold nanoparticles (AuNPs) were used in this study and they were characterized using light scattering (PCS), transmission electron microscopy (TEM), UV/Vis spectroscopy, and polarization anisotropy measurements. The polymer grafting on the spherical cores is asymmetric (shell asphericity) but is parallel to the inherent, due to polycrystallinity, core anisotropy, resulting in a characteristic scattering of the AuNPs in PCS.rnInteractions of polymersomes and AuNPs were investigated by PCS, cryo-TEM and UV/Vis. Three possible scenarios upon mixing of polymersomes and AuNPs can be distinguished by using only PCS: (i) no interactions between particles and vesicles, (ii) attachment of the particles to the outer side of the vesicles (decoration), and (iii) uptake of particles into the vesicles. It is shown that all three scenarios are possible, solely depending on the particle’s surface functionalization. In addition, it was revealed that the AuNPs need to be attached to the inner side of the membrane instead of diffusing freely within the vesicle. The present experimental findings essentially help with the understanding of the interactions of nanoparticles with membranes and show that the process of endocytosis can be attributed to physical processes only. rn

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Wechselwirkungen von Nanopartikel mit künstlichen Membranen. Die Synthese des Blockcopolymers Polydimethylsiloxan-block-Polymethyloxazoline (PDMS-b-PMOXA) wird beschrieben, sowie die anschließende Bildung von Polymersomen in Wasser. Diese Polymersome dienen dann als minimale Zellmodelle, bestehend aus einer künstlichen Membran, mit deren Hilfe die Aufnahme von Nanopartikel in Zellen untersucht wird. Als Modell-Nanopartikel dienen kugelförmige und stäbchenförmige Gold-Nanopartikel (AuNPs), die mittels Lichtstreuung (PCS), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), UV/Vis-Spektroskopie und Polarisations¬anisotropie-Messungen charakterisiert werden. Die Ausrichtung der aufgepfropften Polymerbürsten auf den sonst sphärischen Partikeln ist asymmetrisch und parallel zur Ausrichtung der internen Kristallinität der AuNP, wodurch sich ein charakteristisches Streuverhalten der Nanopartikel in PCS ergibt. rnDie Wechselwirkungen zwischen Polymersomen und AuNPs werden mittels PCS, cryo-TEM und UV/Vis-Spektroskopie untersucht. Drei mögliche Wechselwirkungs-Szenarien können allein mittels Charakterisierung durch PCS unterschieden werden: (i) keine Wechselwirkungen, (ii) Anhaftung der Partikel an die äußere Seite der Vesikel (Dekoration) und (iii) Aufnahme der Partikel in das Innere des Vesikels. Diese Wechselwirkungen werden durch unterschiedliche Oberflächen¬funktionalisierungen der Partikel gesteuert. Zudem wird gezeigt, dass die AuNPs an der Innenseite der Membran angeheftet sein müssen. Die hier berichteten Ergebnisse tragen essentiell zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Membranen bei und zeigen, dass der Prozess der Endozytose lediglich auf physikalische Prozesse zurück zu führen ist.rn