Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Design of multifunctional magnetic nanomaterials for biomedical applications

Diese Arbeit ist ein Beitrag zu den schnell wachsenden Forschungsgebieten der Nano-Biotechnologie und Nanomedizin. Sie behandelt die spezifische Gestaltung magnetischer Nanomaterialien für verschiedene biomedizinische Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Kontrastmittel für die magnetische Resonanztomographie (MRT) oder "theragnostische" Agenzien für simultane optische/MR Detektion und Behandlung mittels photodynamischer Therapie (PDT).rnEine Vielzahl magnetischer Nanopartikel (NP) mit unterschiedlichsten magnetischen Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert und erschöpfend charakterisiert. Darüber hinaus wurde eine ganze Reihe von Oberflächenmodifizierungsstrategien entwickelt, um sowohl die kolloidale als auch die chemische Stabilität der Partikel zu verbessern, und dadurch den hohen Anforderungen der in vitro und in vivo Applikation gerecht zu werden. Diese Strategien beinhalteten nicht nur die Verwendung bi-funktionaler und multifunktioneller Polymerliganden, sondern auch die Kondensation geeigneter Silanverbindungen, um eine robuste, chemisch inerte und hydrophile Siliziumdioxid- (SiO2) Schale um die magnetischen NP auszubilden.rnGenauer gesagt, der Bildungsmechanismus und die magnetischen Eigenschaften monodisperser MnO NPs wurden ausgiebig untersucht. Aufgrund ihres einzigartigen magnetischen Verhaltens eignen sich diese NPs besonders als (positive) Kontrastmittel zur Verkürzung der longitudinalen Relaxationszeit T1, was zu einer Aufhellung im entsprechenden MRT-Bild führt. Tatsächlich wurde dieses kontrastverbessernde Potential in mehreren Studien mit unterschiedlichen Oberflächenliganden bestätigt. Au@MnO „Nanoblumen“, auf der anderen Seite, sind Vertreter einer weiteren Klasse von Nanomaterialien, die in den vergangenen Jahren erhebliches Interesse in der wissenschaftlichen Welt geweckt hat und oft „Nano-hetero-Materialien“ genannt wird. Solche Nano-hetero-partikel vereinen die individuellen physikalischen und chemischen Eigenschaften der jeweiligen Komponenten in einem nanopartikulärem System und erhöhen dadurch die Vielseitigkeit der möglichen Anwendungen. Sowohl die magnetischen Merkmale von MnO, als auch die optischen Eigenschaften von Au bieten die Möglichkeit, diese „Nanoblumen“ für die kombinierte MRT und optische Bildgebung zu verwenden. Darüber hinaus erlaubt das Vorliegen zweier chemisch unterschiedlicher Oberflächen die gleichzeitige selektive Anbindung von Katecholliganden (auf MnO) und Thiolliganden (auf Au). Außerdem wurde das therapeutische Potential von magnetischen NPs anhand von MnO NPs demonstriert, die mit dem Photosensibilisator Protoporhyrin IX (PP) funktionalisiert waren. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht initiiert PP die Produktion von zytotoxisch-reaktivem Sauerstoff. Wir zeigen, dass Nierenkrebszellen, die mit PP-funktionalisierten MnO NPs inkubiert wurden nach Bestrahlung mit Laserlicht verenden, während sie ohne Bestrahlung unverändert bleiben. In einem ähnlichen Experiment untersuchten wir die Eigenschaften von SiO2 beschichteten MnO NPs. Dafür wurde eigens eine neuartige SiO2-Beschichtungsmethode entwickelt, die einer nachfolgende weitere Anbindung verschiedenster Liganden und die Einlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen durch herkömmliche Silan- Sol-Gel Chemie erlaubt. Die Partikel zeigten eine ausgezeichnete Stabilität in einer ganzen Reihe wässriger Lösungen, darunter auch physiologische Kochsalzlösung, Pufferlösungen und humanes Blutserum, und waren weniger anfällig gegenüber Mn-Ionenauswaschung als einfache PEGylierte MnO NPs. Des Weiteren konnte bewiesen werden, dass die dünne SiO2 Schicht nur einen geringen Einfluss auf das magnetische Verhalten der NPs hatte, so dass sie weiterhin als T1-Kontrastmittel verwendet werden können. Schließlich konnten zusätzlich FePt@MnO NPs hergestellt werden, welche die individuellen magnetischen Merkmale eines ferromagnetischen (FePt) und eines antiferromagnetischen (MnO) Materials vereinen. Wir zeigen, dass wir die jeweiligen Partikelgrößen, und damit das resultierende magnetische Verhalten, durch Veränderung der experimentellen Parameter variieren können. Die magnetische Wechselwirkung zwischen beiden Materialien kann dabei auf Spinkommunikation an der Grenzfläche zwischen beiden NP-Sorten zurückgeführt werden.rn

Surface charge of polymer coated SPIONs influences the serum protein adsorption, colloidal stability and subsequent cell interaction in vitro

It is known that the nanoparticle-cell interaction strongly depends on the physicochemical properties of the investigated particles. In addition, medium density and viscosity influence the colloidal behaviour of nanoparticles. Here, we show how nanoparticle-protein interactions are related to the particular physicochemical characteristics of the particles, such as their colloidal stability, and how this significantly influences the subsequent nanoparticle-cell interaction in vitro. Therefore, different surface charged superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized and characterized. Similar adsorbed protein profiles were identified following incubation in supplemented cell culture media, although cellular uptake varied significantly between the different particles. However, positively charged nanoparticles displayed a significantly lower colloidal stability than neutral and negatively charged particles while showing higher non-sedimentation driven cell-internalization in vitro without any significant cytotoxic effects. The results of this study strongly indicate therefore that an understanding of the aggregation state of NPs in biological fluids is crucial in regards to their biological interaction(s).

Cancer and inflammation: differentiation by USPIO-enhanced MR imaging.

PURPOSE To assess ultrasmall superparamagnetic iron oxide particles (USPIO) -enhanced MR imaging for the differentiation of malignant from benign, inflammatory lesions. MATERIALS AND METHODS In this study, approved by the local animal care committee, VX2 carcinoma and intramuscular abscesses were implanted into the hind thighs of New Zealand White rabbits. MR imaging was performed pre contrast and serially for 24 h after the injection of USPIO. MR findings were compared with histopathologic results based on Prussian blue stains for the presence of iron. RESULTS Twenty-four hours after the Ferumoxtran-injection, no changes were observed in VX2 carcinomas, whereas a mean reduction of the contrast-to-noise ratio (CNR) of approximately 90% was noticed in abscesses as well as in necrotic tumors. On histopathologic examination, abscess and necrotic parts of the tumor were found to include iron-containing monocytes demonstrating that the reduction in CNR was caused by USPIO-tagged monocytes. CONCLUSION Our results prove the ability of USPIO-enhanced MRI to differentiate benign, inflammatory from malignant lesions.

Adsorption of biomedical coating molecules, amino acids, and short peptides on magnetite (110)

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles for biomedical applications are usually coated with organic molecules to form a steric barrier against agglomeration. The stability of these coatings is well established in the synthesis medium but is more difficult to assess in physiological environment. To obtain a first theoretical estimate of their stability in such an environment, we perform density functional theory calculations of the adsorption of water, polyvinyl alcohol (PVA) and polyethylene glycol (PEG) coating molecules, as well as the monomer and dimer of glycine as a prototype short peptide, on the (110) surface of magnetite (Fe3O4) in vacuo. Our results show that PVA binds significantly stronger to the surface than both PEG and glycine, while the difference between the latter two is quite small. Depending on the coverage, the wateradsorption strength is intermediate between PVA and glycine. Due to its strongly interacting OH side groups, PVA is likely to remain bound to the surface in the presence of short peptides. This stability will have to be further assessed by molecular dynamics in the solvated state for which the present work forms the basis.

Annotated record and chemical composition of iron-manganese nodules from the Baltic Sea

Iron-manganese concretions, closely related to lacustrine ores and deep sea manganese nodules, are presently forming in different parts of Gulfs of Bothnia and Finland. They can be divided according to physical form into three distinct groups: (1) round pea-shaped concretions, (2) ring-shaped concrections, and (3) flat sheets and crusts of concretionary material. A definite correlation was found to exist between the form i.e. type of concretions and their chemical composition (Mn/Fe ratio). Trace element concentrations were generally rather high, although not as high as in deep sea manganese nodules. X-ray and DTA was used to study the mineralogy and crystal structure of the concretions. Surface concentrations and geographical distribution of the concretions were estimated on the basis of samples, diving observations and echo-grams.

Geochemistry and oxygen and iron isotope ratios of mafic rocks

Recycling of oceanic crust into the deep mantle via subduction is a widely accepted mechanism for creating compositional heterogeneity in the upper mantle and for explaining the distinct geochemistry of mantle plumes. The oxygen isotope ratios (d18O) of some ocean island basalts (OIB) span values both above and below that of unmetasomatised upper mantle (5.5 ± 0.4 per mil) and provide support for this hypothesis, as it is widely assumed that most variations in d18O are produced by near-surface low-temperature processes. Here we show a significant linear relationship between d18O and stable iron isotope ratios (d57Fe) in a suite of pristine eclogite xenoliths. The d18O values of both bulk samples and garnets range from values within error of normal mantle to significantly lighter values. The observed range and correlation between d18O and d57Fe is unlikely to be inherited from oceanic crust, as d57Fe values determined for samples of hydrothermally altered oceanic crust do not differ significantly from the mantle value and show no correlation with d18O. It is proposed that the correlated d57Fe and d18O variations in this particular eclogite suite are predominantly related to isotopic fractionation by disequilibrium partial melting although modification by melt percolation processes cannot be ruled out. Fractionation of Fe and O isotopes by removal of partial melt enriched in isotopically heavy Fe and O is supported by negative correlations between bulk sample d57Fe and Cr content and bulk sample and garnet d18O and Sc contents, as Cr and Sc are elements that become enriched in garnet- and pyroxene-bearing melt residues. Melt extraction could take place either during subduction, where the eclogites represent the residues of melted oceanic lithosphere, or could take place during long-term residence within the lithospheric mantle, in which case the protoliths of the eclogites could be of either crustal or mantle origin. This modification of both d57Fe and d18O by melting processes and specifically the production of low-d18O signatures in mafic rocks implies that some of the isotopically light d18O values observed in OIB and eclogite xenoliths may not necessarily reflect near-surface processes or components.

In-situ Iron isotope measurements and mineral compositions from ODP Hole 206-1256D and IODP Hole 335-U1256D

In-situ Fe isotope measurements have been carried out to estimate the impact of the hydrothermal metamorphic overprint on the Fe isotopic composition of Fe-Ti-oxides and Fe-sulfides of the different lithologies of the drilled rocks from IODP Hole 1256D (eastern equatorial Pacific; 15 Ma crust formed at the East Pacific Rise). Most igneous rocks normally have a very restricted range in their 56Fe/54Fe ratio. In contrast, Fe isotope compositions of hot fluids (> 300 °C) from mid-ocean-ridge spreading centers define a narrow range that is shifted to lower delta 56Fe values by 0.2 per mil - 0.5 per mil as compared to igneous rocks. Therefore, it is expected that mineral phases that contain large amounts of Fe are especially affected by the interaction with a fluid that fractionates Fe isotopes during exsolution/precipitation of those minerals. We have used a femtosecond UV-Laser ablation system to determine mineral 56Fe/54Fe ratios of selected samples with a precision of < 0.1 per mil (2 sigma level) at micrometer-scale. We have found significant variations of the delta 56Fe (IRMM-014) values in the minerals between different samples as well as within samples and mineral grains. The overall observed scale of delta 56Fe (magnetite) in 1256D rocks ranges from - 0.12 to + 0.64 per mil, and of delta 56Fe (ilmenite) from - 0.77 to + 0.01 per mil. Pyrite in the lowermost sheeted dike section is clearly distinguishable from the other investigated lithological units, having positive delta 56Fe values between + 0.29 and + 0.56 per mil, whereas pyrite in the other samples has generally negative delta 56Fe values from - 1.10 to - 0.59 permil. One key observation is that the temperature dependent inter-mineral fractionations of Fe isotopes between magnetite and ilmenite are systematically shifted towards higher values when compared to theoretically expected values, while synthesized, well equilibrated magnetite-ilmenite pairs are compatible with the theoretical predictions. Theoretical considerations including beta-factors of different aqueous Fe-chlorides and Rayleigh-type fractionations in the presence of a hydrous, chlorine-bearing fluid can explain this observation. The disagreement between observed and theoretical equilibrium fractionation, the fact that magnetite, in contrast to ilmenite shows a slight downhole trend in the delta 56Fe values, and the observation of small scale heterogeneities within single mineral grains imply that a general re-equilibration of the magnetite-ilmenite pairs is overprinted by kinetic fractionation effects, caused by the interaction of magnetite/ilmenite with hydrothermal fluids penetrating the upper oceanic crust during cooling, or incomplete re-equilibration at low temperatures. Furthermore, the observation of significant small-scale variations in the 56Fe/54Fe ratios of single minerals in this study highlights the importance of high spatial-resolution-analyses of stable isotope ratios for further investigations.

Geochemistry of basalts near the Tamayo Fracture Zone

Recent investigations of the southern Gulf of California (22°N) on Leg 65 of the Deep Sea Drilling Project (DSDP) allow important comparisons with drilled sections of ocean crust formed at different spreading rates. During Leg 65 the Glomar Challenger drilled seven basement holes at sites forming a transect across the ridge axis near the Tamayo Fracture Zone. An additional site was drilled on the fracture zone itself, where a small magnetic "diapir" was located. Together with the material from Site 474 (drilled during Leg 64) the cores recovered at these sites are representative of the upper basaltic and sedimentary crust formed since the initial opening of the Gulf. The pattern of magmatic accretion at the ridge axis is conditioned by the moderate to high rate of spreading (~6 cm/y.) and comparatively high sedimentation rates that now characterize the Gulf of California. In terms of spreading rate, this region is intermediate between the "superfast" East Pacific Rise axis to the south (up to 17 cm/y.) and the slow-spreading Mid-Atlantic Ridge (2-4 cm/y.) both of which have been extensively studied by dredging and drilling.