Nanoparticles of octakis [3-(3-amino-1,2,4-triazole)propyl] octasilsesquioxane as ligands for Cu(II), Ni(II), Cd(II), Zn(II), and Fe(III) in aqueous solution

Nanoparticles of octakis[3-(3-amino-1,2,4-triazole)propyl]octasilsesquioxane (ATZ-SSQ) were tested as ligands, for transition-metal ions in aqueous solution with a special attention to sorption isotherms, ligand-metal interaction, and determination of metal ions in natural waters. The adsorption potential of the material ATZ-SSQ was compared with related [3(3-amino-1,2,4-triazole)propyl]silica gel (ATZ-SG). The adsorption was performed using a batchwise process and both organofunctionalized surfaces showed the ability to adsorb the metal ions from aqueous solution. The Langmuir model was used to simulate the sorption isotherms. The results suggest that the sorption of these metals on ATZ-SSQ and ATZ-SG occurs mainly by surface complexation. The equilibrium condition is reached at time lower than 3 min for ATZ-SSQ, while for ATZ-SG is only reached at time of 25 min. The maximum metal ion uptake values for ATZ-SSQ were higher than the corresponding values achieved with the ATZ-SG. In order to obtain more information on the ligand-metal interaction of the complexes on the surface of the ATZ-SSQ nanomaterial, ESR study with various degrees of copper loadings was carried out. The ATZ-SSQ was tested for the determination (in flow using a column technique) of the metal ions present in natural waters. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

NiTiO3 nanoparticles encapsulated with SiO2 prepared by sol-gel method

NiTiO3 (NTO) nanoparticles encapsulated with SiO2 were prepared by the sol-gel method resulting on core-shell structure. Changes on isoelectric point as a function of silica were evaluated by means of zeta potential. The NTO nanoparticles heat treated at 600 degrees C were characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive X-ray analysis. TEM observations showed that the mean size of NTO is in the range of 2.5-42.5 nm while the thickness of SiO2 shell attained 1.5-3.5 nm approximately.

Montmorillonite (MMT) effect on the structure of poly(oxyethylene) (PEO)-MMT nanocomposites and silica-PEO-MMT hybrid materials

In this work we report the effects of incorporation of variable amounts (0.5-25%w/w) of montmorillonite in poly(oxyethylene) based materials in order to decrease the polymer crystallinity. Two different classes of materials were studied: silica-poly(oxyethylene)-montmorillonite hybrids prepared by the sol-gel route and poly(oxyethylene)-montmorillonite nanocomposites prepared by mixing the dry clay or the clay aqueous suspension into the melt poly(oxyethylene). The effects of monternorillonite loading on the poly(oxyethylene) crystallization control and on the nanostructural features were investigated by X-ray powder diffraction, small-angle X-ray scattering and differential scanning calorimetry. Experimental results show that free montmorillonite layers coexist with open aggregates and tactoids in the poly(oxyethylene)-montmorillonite nanocomposites, with different features depending on the filler proportion and preparation route. The intercalation of polymer chains in montmorillonite galleries markedly hinders the crystallization of the poly(oxyethylene) matrix. For hybrids materials the silica phase favors the exfoliation of montmorillonite tactoids, so that samples are predominantly constituted by dispersed platelets. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Erbium- and ytterbium-doped sol-gel SiO2-HfO2 crack-free thick films onto silica on silicon substrate

Aware of the difficulties in applying sol-gel technology on the preparation of thin films suitable for optical devices, the present paper reports on the preparation of crack-free erbium- and ytterbium-doped silica: hafnia thick films onto silica on silicon. The film was obtained using a dispersion of silica-hafnia nanoparticles into a binder solution, spin-coating, regular thermal process and rapid thermal process. The used methodology has allowed a significant increase of the film thickness. Based on the presented results good optical-quality films with the required thickness for a fiber matching single mode waveguide were obtained using the erbium- and ytterbium-activated sol-gel silica:hafnia system. The prepared film supports two transversal electric modes at 1550 nm and the difference between the transversal electric mode and the transversal magnetic mode is very small, indicating low birefringence. Photoluminescence of the I-4(13/2) -> I-4(15/2) transition of erbium ions shows a broad band centered at 1.53 mu m with full width at a half maximum of 28 nm. Up-conversion emission was carried out under different pump laser powers, and just one transition at red region was observed. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influence of pH on the incorporation and growth of Pb2CrO5 crystallites in silica matrix

Pb2CrO5 nanoparticles were embedded in an amorphous SiO2 matrix by the sol-gel process. The pH and heat treatment effects were evaluated in terms of structural, microstructural and optical properties from Pb2CrO5/SiO2 compounds. X-ray diffraction (XRD), high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and diffuse reflectance techniques were employed. Kubelka-Munk theory was used to calculate diffuse reflectance spectra that were compared to the experimental results. Finally, colorimetric coordinates of the Pb2CrO5/SiO2 compounds were shown and discussed. In general, an acid pH initially dissolves Pb2CrO5 nanoparticles and following heat treatment at 600 A degrees C crystallized into PbCrO4 composition with grain size around 6 nm in SiO2 matrix. No Pb2CrO5 solubilization was observed for basic pH. These nanoparticles were incorporated in silica matrix showing a variety of color ranging from yellow to orange.

Rare earth doped HfO2 nanoparticles embedded in SiO2-HfO2 planar waveguides. Preparation, optical, structural and spectroscopic characterization

In this work we present results on the preparation of planar waveguides based on HfO2 and HfO2-SiO2. Stable sols containing europium and erbium doped HfO2 nanoparticles have been prepared and characterized. The nanosized sol was either deposited (spin-coating) on quartz substrates or embedded in (3-glycidoxipropil)trimethoxisilane (GPTS) used as a hybrid host for posterior deposition. The refractive index dispersion and luminescence characteristics were determined for the resulting HfO2 films. The optical parameters of the waveguides such as refractive index, thickness and propagation losses were measured for the hybrid composite. The planar waveguides present thickness of a few micra and support well confined propagating modes.

Direct Synthesis of Ag Nanoparticles Incorporated on a Mesoporous Hybrid Material as a Sensitive Sensor for the Simultaneous Determination of Dihydroxybenzenes Isomers

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

Simultaneous determination of epinephrine and dopamine by electrochemical reduction on the hybrid material SiO2/graphene oxide decorated with Ag nanoparticles

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

Catalyst Recovery and Recycling Facilitated by Magnetic Separation: Iridium and Other Metal Nanoparticles

The immobilization of metal nanoparticles in magnetic responsive solids allows the easy, fast, and clean separation of catalysts; however, the efficiency of this separation process depends on a strong metalsupport interaction. This interaction can be enhanced by functionalizing the support surface with amino groups. Our catalyst support contains an inner core of magnetite that enables the magnetic separation from liquid systems and an external surface of silica suitable for further modification with organosilanes. We report herein that a magnetically recoverable amino-functionalized support captured iridium species from liquid solutions and produced a highly active hydrogenation catalyst with negligible metal leaching. An analogous Ir0 catalyst prepared with use of a nonfunctionalized support shows a higher degree of metal leaching into the liquid products. The catalytic performance in the hydrogenation of alkenes is compared with that of Rh and Pt catalysts.

Improving the catalytic activity of formate dehydrogenase from Candida boidinii by using magnetic nanoparticles

Formate dehydrogenase from Candida boidinii (FDH) was immobilized on three different magnetic supports: one composed by magnetite nanoparticles directly silanized with ARTS (aminopropyltriethoxysilane), i.e. MagNP-APTS: the second one containing a silica gel coated magnetite core which was further silanized with APTS (MagNP@SiO2-APTS), and the third one consisting of magnetite-APTS coated with Glyoxyl-Agarose (MagNP-Glyoxyl-Agarose). The catalytic activity of the three FDH systems was investigated as a function of pH and temperature. The silica gel coated nanoparticles provided the highest conversion rates; however, in terms of recycling, magnetite without the silica shell led to the most stable system. By using the enzyme tryptophan residues as internal fluorescence probes, the structure-activity behavior was investigated in the presence of the formate and NAD(+) substrates, revealing a rather contrasting behavior in the three cases. Because of its peculiar behavior, a direct interaction of the magnetic nanoparticles with the catalytic sites seems to be implicated in the case of MagNP-APTS. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Design of a Dinuclear Nickel(II) Bioinspired Hydrolase to Bind Covalently to Silica Surfaces: Synthesis, Magnetism, and Reactivity Studies

Presented herein is the design of a dinuclear Ni-II synthetic hydrolase [Ni-2(HBPPAMFF)(mu-OAc)(2)(H2O)]-BPh4 (1) (H(2)BPPAMFF = 2-[(N-benzyl-N-2-pyridylmethylamine)]-4-methyl-6-[N-(2-pyridylmethyl)aminomethyl)])-4- methyl-6-formylphenol) to be covalently attached to silica surfaces, while maintaining its catalytic activity. An aldehyde-containing ligand (H(2)BPPAMFF) provides a reactive functional group that can serve as a cross-linking group to bind the complex to an organoalkoxysilane and later to the silica surfaces or directly to amino-modified surfaces. The dinuclear Ni-II complex covalently attached to the silica surfaces was fully characterized by different techniques. The catalytic turnover number (k(cat)) of the immobilized (NiNiII)-Ni-II catalyst in the hydrolysis of 2,4-bis(dinitrophenyl)phosphate is comparable to the homogeneous reaction; however, the catalyst interaction with the support enhanced the substrate to complex association constant, and consequently, the catalytic efficiency (E - k(cat)/K-M) and the supported catalyst can be reused for subsequent diester hydrolysis reactions.

A chemical approach to Heusler compounds and nanoparticles

Heusler Materialien wurden bisher vor allem in Volumen- und Dünnfilmproben aufgrund ihrer technischen Bedeutung untersucht. In dieser Arbeit berichtet über die experimentellen Untersuchungen der chemischen Synthese, Struktur, und der magnetischen Eigenschaften von ternären Heusler-Nanopartikeln. Die grundlegenden Aspekte der Physik, Chemie und Materialwissenschaft bezüglich der Heusler Nanopartiikel wurden untersucht. Außerdem wurde eine silicatgestützte Herstellungsmethode für Karbon-ummantelte, ternäre intermetallische Co2FeGa Nanopartikel entwickelt. Die Bildung der L21 Co2FeGa Phase wurde mit Röntgenbeugung (XRD), Extended X-ray Absorption Fine Structure Spektroskopie (EXAFS), und 57Fe Mössbauer Spektroskopie bestätigt. Die Abhängigkeit der Phase und der der Größe der Co2FeGa Nanopartikel vom der Zusammensetzung der Precursor und des Silicats wurden untersucht. Durch das Koppeln der aus Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) gewonnen Teilchengröße und der Mössbauerspektroskopie konnte die kritische Größe für den Übergang von superparamgnetischem zu ferromagnetischem Verhalten von Co2FeGa Nanopartikel ermittelt werden. Die silicatgestützte chemische Synthese von Co2FeGa Nanopartikeln besitzt großes Potential für eine generelle Herstellungsmethode für Co-basierte Heuser Nanopartikel. Des weiteren wurde auch eine chemische Herstellungsmethode von metallischen Nanopartikeln mit Synchrotronstrahlung untersucht, die so gewonnen Nanopartikel sind vielversprechende Materialien für die Nanobiotechnologie und die Nanomedizin.

Interactions of inhaled nanoparticles with the alveolar-capillary barrier of the human respiratory tract

In dieser Arbeit wurden zytotoxische Effekte sowie die inflammatorische Reaktionen des distalen respiratorischen Traktes nach Nanopartikelexposition untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag auch auf der Untersuchung unterschiedlicher zellulärer Aufnahmewege von Nanopartikeln wie z.B. Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose oder auch Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose (mit möglicher Beteiligung von Flotillinen). Drei unterschiedliche Nanopartikel wurden hierbei gewählt: amorphes Silica (aSNP), Organosiloxan (AmorSil) und Poly(ethyleneimin) (PEI). Alle unterschiedlichen Materialien gewinnen zunehmend an Interesse für biomedizinische Forschungsrichtungen (drug and gene delivery). Insbesondere finden aSNPs auch in der Industrie vermehrt Anwendung, und stellen somit ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Dieser wird dadurch zu einem begehrten Angriffsziel für pharmazeutische Verabreichungen von Medikamenten über Nanopartikel als Vehikel aber bietet zugleich auch eine Angriffsfläche für gesundheitsschädliche Nanomaterialien. Aus diesem Grund sollten die gesundheitsschädigenden Risiken, sowie das Schicksal von zellulär aufgenommenen NPs sorgfältig untersucht werden. In vivo Studien an der alveolaren-kapillaren Barriere sind recht umständlich. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Kokulturmodel benutzt, dass die Alveolar-Kapillare Barrier in vivo nachstellt. Das Model besteht aus dem humanen Lungenepithelzelltyp (z.B. NCI H441) und einem humanen microvasculären Endothelzelltyp (z.B. ISO-HAS-1), die auf entgegengesetzten Seiten eines Transwell-Filters ausgesät werden und eine dichte Barriere ausbilden. Die NP Interaktion mit Zellen in Kokultur wurde mit denen in konventioneller Monokultur verglichen, in der Zellen 24h vor dem Experiment ausgesät werden. Diese Studie zeigt, dass nicht nur die polarisierte Eigenschaft der Zellen in Kokultur sondern auch die unmittelbare Nähe von Epithel und Endothelzelle ausschlaggebend für durch aSNPs verursachte Effekte ist. Im Hinblick auf inflammatorische Marker (sICAM, IL-6, IL8-Ausschüttung), reagiert die Kokultur auf aSNPs empfindlicher als die konventionelle Monokultur, wohingegen die Epithelzellen in der Kokultur auf zytotoxikologischer Ebene (LDH-Ausschüttung) unempfindlicher auf aSNPs reagierten als die Zellen in Monokultur. Aufnahmestudien haben gezeigt, dass die Epithelzellen in Kokultur entschieden weniger NPs aufnehmen. Somit zeigen die H441 in der Kokultur ähnliche epitheliale Eigenschaften einer schützenden Barriere, wie sie auch in vivo zu finden sind. Obwohl eine ausreichende Aufnahme von NPs in H441 in Kokultur erreicht werden konnte, konnte ein Transport von NPs durch die epitheliale Schicht und eine Aufnahme in die endotheliale Schicht mit den gewählten Inkubationszeiten nicht gezeigt werden. Eine Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose von NPs konnte mittels Immunfluoreszenz weder in der Mono- noch in der Kokultur nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich eine Akkumulation von NPs in Flotillin-1 und-2 enthaltende Vesikel in Epithelzellen aus beiden Kultursystemen. Ergebnisse mit Flotillin-inhibierten (siRNA) Epithelzellen, zeigten eine deutlich geringere Aufnahme von aSNPs. Zudem zeigte sich eine eine reduzierte Viabilität (MTS) von aSNP-behandelten Zellen. Dies deutet auf eine Beteiligung von Flotillinen an unbekannten (Clathrin oder Caveolae -unabhängig) Endozytosemechanismen und (oder) endosomaler Speicherung. Zusammenfassend waren die Aufnahmemechanismen für alle untesuchten NPs in konventioneller Monokultur und Kokultur vergleichbar, obwohl sich die Barriereeigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass sich die Zellen in Kokultur anders verhalten. Die Zellen erreichen hierbei einen höheren Differenzierungsgrad und eine Zellkommunikation mit anderen relevanten Zelltypen wird ermöglicht. Durch das Einbringen eines dritten relevanten Zelltyps in die Kokultur, des Alveolarmakrophagen (Zelllinie THP-1), welcher die erste Verteidigungsfront im Alveolus bildet, wird diese Aussage weiter bekräftigt. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Triplekultur bezüglich ihrer Barriereeigenschaften und IL-8-Ausschüttung sensitiver auf z.B. TNF- oder LPS-Stimulation reagiert als die Kokultur. Verglichen mit konventionellen Monokulturen imitieren gut ausgebildete, multizelluräre Kokulturmodelle viel präziser das zelluläre Zusammenspiel im Körper. Darum liefern Nanopartikelinteraktionen mit dem in vitro-Triplekulturmodel aufschlussreichere Ergebnisse bezüglich umweltbedingter oder pharmazeutischer NP-Exposition in der distalen Lung als es uns bisher möglich war.

Transport of nanoparticles into polymersomes : a minimal model system of particles passage through biological membranes

This thesis focuses on the design and characterization of a novel, artificial minimal model membrane system with chosen physical parameters to mimic a nanoparticle uptake process driven exclusively by adhesion and softness of the bilayer. The realization is based on polymersomes composed of poly(dimethylsiloxane)-b-poly(2-methyloxazoline) (PMDS-b-PMOXA) and nanoscopic colloidal particles (polystyrene, silica), and the utilization of powerful characterization techniques. rnPDMS-b-PMOXA polymersomes with a radius, Rh ~100 nm, a size polydispersity, PD = 1.1 and a membrane thickness, h = 16 nm, were prepared using the film rehydratation method. Due to the suitable mechanical properties (Young’s modulus of ~17 MPa and a bending modulus of ~7⋅10-8 J) along with the long-term stability and the modifiability, these kind of polymersomes can be used as model membranes to study physical and physicochemical aspects of transmembrane transport of nanoparticles. A combination of photon (PCS) and fluorescence (FCS) correlation spectroscopies optimizes species selectivity, necessary for a unique internalization study encompassing two main efforts. rnFor the proof of concepts, the first effort focused on the interaction of nanoparticles (Rh NP SiO2 = 14 nm, Rh NP PS = 16 nm; cNP = 0.1 gL-1) and polymersomes (Rh P = 112 nm; cP = 0.045 gL-1) with fixed size and concentration. Identification of a modified form factor of the polymersome entities, selectively seen in the PCS experiment, enabled a precise monitor and quantitative description of the incorporation process. Combining PCS and FCS led to the estimation of the incorporated particles per polymersome (about 8 in the examined system) and the development of an appropriate methodology for the kinetics and dynamics of the internalization process. rnThe second effort aimed at the establishment of the necessary phenomenology to facilitate comparison with theories. The size and concentration of the nanoparticles were chosen as the most important system variables (Rh NP = 14 - 57 nm; cNP = 0.05 - 0.2 gL-1). It was revealed that the incorporation process could be controlled to a significant extent by changing the nanoparticles size and concentration. Average number of 7 up to 11 NPs with Rh NP = 14 nm and 3 up to 6 NPs with Rh NP = 25 nm can be internalized into the present polymersomes by changing initial nanoparticles concentration in the range 0.1- 0.2 gL-1. Rapid internalization of the particles by polymersomes is observed only above a critical threshold particles concentration, dependent on the nanoparticle size. rnWith regard possible pathways for the particle uptake, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) has revealed two different incorporation mechanisms depending on the size of the involved nanoparticles: cooperative incorporation of nanoparticles groups or single nanoparticles incorporation. Conditions for nanoparticle uptake and controlled filling of polymersomes were presented. rnIn the framework of this thesis, the experimental observation of transmembrane transport of spherical PS and SiO2 NPs into polymersomes via an internalization process was reported and examined quantitatively for the first time. rnIn a summary the work performed in frames of this thesis might have significant impact on cell model systems’ development and thus improved understanding of transmembrane transport processes. The present experimental findings help create the missing phenomenology necessary for a detailed understanding of a phenomenon with great relevance in transmembrane transport. The fact that transmembrane transport of nanoparticles can be performed by artificial model system without any additional stimuli has a fundamental impact on the understanding, not only of the nanoparticle invagination process but also of the interaction of nanoparticles with biological as well as polymeric membranes. rn

Functionalization and characterization of magnetic nanoparticles for biomedical applications

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Oberflächenfunktionalisierung von MnO Nanopartikeln (NP). Durch die Verwendung und Verbesserung verschiedener Polymere durch die Einbindung von Poly (Ethylen Glycol) (PEG), gelang es, die Löslichkeit dieser Nanopartikel in wässrigen Lösungen sowie in Körperflüssigkeiten zu erhöhen. Zusätzlich konnten diese Nanopartikel deutlich besser steril filtriert werden und zeigten eine erhöhte Aktivität alsrnKontrastmittel im MRT. Vorläufige Ergebnisse für die Verwendung von Silika als Schutzhülle für MnO NP werden ebenfalls kurz erläutert. Die verwendeten Polymere besaßen dabei zugängliche Aminogruppen, die eine weitere Funktionalisierung durch Bio-aktiver Gruppen ermöglichte. Der Nachweis einer erfolgreichen Bindung durch verschiedene Methoden wie SDS-PAGE, Western- und Northern Blot sowie die Verwendung unterschiedlicher FluoreszenzMessungen wird ebenfalls diskutiert. MnO NP und anderer magnetischer NP werden weiterhin auf ihr toxisches Verhalten gegenüber Caki1 und HeLa Zellen getestet. Dabei zeigte sich, dass MnO NP, im Gegensatz zu einigen Kupferoxiden, quasi nicht toxisch waren und das Proliferationsverhalten dieser Zellen quasi nicht beeinflussten. Weiterhin wurde ein Fluoreszenzfarbstoff, konkret Protoporphyrin IX, an die Oberfläche von MnO NP angebracht.Diese konnten dann erfolgreich als Kontrastmittel in der MRT verwendet werden und zeigten vielversprechende Ergebnisse für die Photodynamische Therapie. Desweiteren wird die Synthese des Antikörpers gegen p53 ausführlich erläutert. Dabei wurde genau darauf geachtet,dass dieser Antikörper dann an MnO NP gebunden werden kann.