Silica-Supported Gold Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Reactivity

The main aim of this work was the synthesis and applications of functionalized-silica-supported gold nanoparticles. The silica-anchored functionalities employed, e.g. amine, alkynyl carbamate and sulfide moieties, possess a notable affinity with gold, so that they could be able to capture the gold precursor, to spontaneously reduce it (possibly at room temperature), and to stabilize the resulting gold nanoparticles. These new materials, potentially suitable for heterogeneous catalysis applications, could represent a breakthrough among the “green” synthesis of supported gold nanoparticles, since they would circumvent the addition of extra reducing agent and stabilizers, also allowing concomitant absorption of the active catalyst particles on the support immediately after spontaneous formation of gold nanoparticles. In chapter 4 of this thesis is also presented the work developed during a seven-months Marco Polo fellowship stay at the University of Lille (France), regarding nanoparticles nucleation and growth inside a microfluidic system and the study of the corresponding mechanism by in situ XANES spectroscopy. Finally, studies regarding the reparation and reactivity of gold decorated nanodiamonds are also described. Various methods of characterization have been used, such as ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis), Transmission Electron Microscopy (TEM), Dynamic Light Scattering (DLS), X-ray Fluorescence (XRF), Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy (SEM-FEG), X-ray Photoionization (XPS), X ray Absorption Spectroscopy (XAS).

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Design and Characterization of Luminescent Silica Nanoparticles

The aim of this thesis was to design, synthesize and characterize dye-doped silica nanoparticles (DDSNPs) to be used as chemosensors or labels in bioanalytical applications. DDSNPs represent one of the most versatile and useful components in nanomedicine displaying important features such as high colloid stability in water, low toxicity, one-pot inexpensive synthesis and tunable fluorescence emission. Starting from the one-pot and highly reproducible synthesis of “silica-core/PEG shell” DDSNPs based on the use of micelles of Pluronic F127, in which take place both hydrolysis and condensation of the silica precursor and of the dyes functionalized with a triethoxysilane group, we developed DDSNPs suitable for optical and optoacustic imaging, drug loading and chemical sensing obtaining very interesting results for the further development of nanomedicine.

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Recycling of end of life concrete fines (0 - 4 mm) into silica and cement

The purpose of this work is to find a methodology in order to make possible the recycling of fines (0 - 4 mm) in the Construction and Demolition Waste (CDW) process. At the moment this fraction is a not desired by-product: it has high contaminant content, it has to be separated from the coarse fraction, because of its high water absorption which can affect the properties of the concrete. In fact, in some countries the use of fines recycled aggregates is highly restricted or even banned. This work is placed inside the European project C2CA (from Concrete to Cement and Clean Aggregates) and it has been held in the Faculty of Civil Engineering and Geosciences of the Technical University of Delft, in particular, in the laboratory of Resources And Recycling. This research proposes some procedures in order to close the loop of the entire recycling process. After the classification done by ADR (Advanced Dry Recovery) the two fractions "airknife" and "rotor" (that together constitute the fraction 0 - 4 mm) are inserted in a new machine that works at high temperatures. The temperatures analysed in this research are 600 °C and 750 °C, cause at that temperature it is supposed that the cement bounds become very weak. The final goal is "to clean" the coarse fraction (0,250 - 4 mm) from the cement still attached to the sand and try to concentrate the cement paste in the fraction 0 - 0,250 mm. This new set-up is able to dry the material in very few seconds, divide it into two fractions (the coarse one and the fine one) thanks to the air and increase the amount of fines (0 - 0,250 mm) promoting the attrition between the particles through a vibration device. The coarse fraction is then processed in a ball mill in order to improve the result and reach the final goal. Thanks to the high temperature it is possible to markedly reduce the milling time. The sand 0 - 2 mm, after being heated and milled is used to replace 100% of norm sand in mortar production. The results are very promising: the mortar made with recycled sand reaches an early strength, in fact the increment with respect to the mortar made with norm sand is 20% after three days and 7% after seven days. With this research it has been demonstrated that once the temperature is increased it is possible to obtain a clean coarse fraction (0,250 - 4 mm), free from cement paste that is concentrated in the fine fraction 0 - 0,250 mm. The milling time and the drying time can be largely reduced. The recycled sand shows better performance in terms of mechanical properties with respect to the natural one.

Proliferation, differentiation and gene expression of osteoblasts in boron-containing associated with dexamethasone deliver from mesoporous bioactive glass scaffolds

Boron is one of the trace elements in the human body which plays an important role in bone growth. Porous mesopore bioactive glass (MBG) scaffolds are proposed as potential bone regeneration materials due to their excellent bioactivity and drug-delivery ability. The aims of the present study were to develop boron-containing MBG (B-MBG) scaffolds by sol-gel method and to evaluate the effect of boron on the physiochemistry of B-MBG scaffolds and the response of osteoblasts to these scaffolds. Furthermore, the effect of dexamethasone (DEX) delivery in B-MBG scaffold system was investigated on the proliferation, differentiation and bone-related gene expression of osteoblasts. The composition, microstructure and mesopore properties (specific surface area, nano-pore volume and nano-pore distribution) of B-MBG scaffolds have been characterized. The effect of boron contents and large-pore porosity on the loading and release of DEX in B-MBG scaffolds were also investigated. The results have shown that the incorporation of boron into MBG scaffolds slightly decreases the specific surface area and pore volume, but maintains well-ordered mesopore structure and high surface area and nano-pore volume compared to non-mesopore bioactive glass. Boron contents in MBG scaffolds did not influence the nano-pore size distribution or the loading and release of DEX. B-MBG scaffolds have the ability to maintain a sustained release of DEX in a long-term span. Incorporating boron into MBG glass scaffolds led to a controllable release of boron ions and significantly improved the proliferation and bone-related gene expression (Col I and Runx2) of osteoblasts. Furthermore, the sustained release of DEX from B-MBG scaffolds significantly enhanced alkaline phosphatase (ALP) activity and gene expressions (Col I, Runx2, ALP and BSP) of osteoblasts. These results suggest that boron plays an important role in enhancing osteoblast proliferation in B-MBG scaffold system and DEX-loaded B-MBG scaffolds show great potential as a release system to enhance osteogenic property for bone tissue engineering application.

ITP in dynamically double-coated fused-silica capillaries

Bidirectional ITP in fused-silica capillaries double-coated with Polybrene and poly-(vinylsulfonate) is a robust approach for analysis of low-molecular-mass compounds. EOF towards the cathode is strong (mobility >4.0 x 10(-8) m(2)/Vs) within the entire pH range investigated (2.40-8.08), dependent on ionic strength and buffer used and, at constant ionic strength, higher at alkaline pH. Electrokinetic separations and transport in such coated capillaries can be described with a dynamic computer model which permits the combined simulation of electrophoresis and electroosmosis in which the EOF is predicted either with a constant (i.e. pH- and ionic strength-independent) or a pH- and ionic strength-dependent electroosmotic mobility. Detector profiles predicted by computer simulation agree qualitatively well with bidirectional isotachopherograms that are monitored with a setup comprising two axial contactless conductivity detectors and a UV absorbance detector. The varying EOF predicted with a pH- and ionic strength-dependent electroosmotic mobility can be regarded as being realistic.

Development of Optically Based pH Sensing Hydrogel and Controlled Nitric Oxide Release Polymer

Nitric oxide has the potential to greatly improve intravascular measurements by locally inhibiting thrombus formation and dilating blood vessels. pH, the partial pressure of oxygen, and the partial pressure of carbon dioxide are three arterial blood parameters that are of interest to clinicians in the intensive care unit that can benefit from an intravascular sensor. This work explores fabrication of absorbance and fluorescence based pH sensing chemistry, the sensing chemistries' compatibility with nitric oxide, and a controllable nitric oxide releasing polymer. The pH sensing chemistries utilized various substrates, dyes, and methods of immobilization. Absorbance sensing chemistries used sol-gels, fumed silica particles, mesoporous silicon oxide, bromocresol purple, phenol red, bromocresol green, physical entrapment, molecular interactions, and covalent linking. Covalently linking the dyes to fumed silica particles and mesoporous silicon oxide eliminated leaching in the absorbance sensing chemistries. The structures of the absorbance dyes investigated were similar and bromocresol green in a sol-gel was tested for compatibility with nitric oxide. Nitric oxide did not interfere with the use of bromocresol green in a pH sensor. Investigated fluorescence sensing chemistries utilized silica optical fibers, poly(allylamine) hydrogel, SNARF-1, molecular interactions, and covalent linking. SNARF-1 covalently linked to a modified poly(allylamine) hydrogel was tested in the presence of nitric oxide and showed no interference from the nitric oxide. Nitric oxide release was controlled through the modulation of a light source that cleaved the bond between the nitric oxide and a sulfur atom in the donor. The nitric oxide donor in this work is S-nitroso-N-acetyl-D-penicillamine which was covalently linked to a silicone rubber made from polydimethylsiloxane. It is shown that the surface flux of nitric oxide released from the polymer films can be increased and decreased by increasing and decreasing the output power of the LED light source. In summary, an optical pH sensing chemistry was developed that eliminated the chronic problem of leaching of the indicator dye and showed no reactivity to nitric oxide released, thereby facilitating the development of a functional, reliable intravascular sensor.

Development of Vapor Deposited Silica Sol-Gel Particles for a Bioactive Materials System to Direct Osteoblast Behavior

Tissue engineering and regenerative medicine have emerged in an effort to generate replacement tissues capable of restoring native tissue structure and function, but because of the complexity of biologic system, this has proven to be much harder than originally anticipated. Silica based bioactive glasses are popular as biomaterials because of their ability to enhance osteogenesis and angiogenesis. Sol-gel processing methods are popular in generating these materials because it offers: 1) mild processing conditions; 2) easily controlled structure and composition; 3) the ability to incorporate biological molecules; and 4) inherent biocompatibility. The goal of this work was to develop a bioactive vaporization system for the deposition of silica sol-gel particles as a means to modify the material properties of a substrate at the nano- and micro- level to better mimic the instructive conditions of native bone tissue, promoting appropriate osteoblast attachment, proliferation, and differentiation as a means for supporting bone tissue regeneration. The size distribution, morphology and degradation behavior of the vapor deposited sol-gel particles developed here were found to be dependent upon formulation (H2O:TMOS, pH, Ca/P incorporation) and manufacturing (substrate surface character, deposition time). Additionally, deposition of these particles onto substrates can be used to modify overall substrate properties including hydrophobicity, roughness, and topography. Deposition of Ca/P sol particles induced apatite-like mineral formation on both two- and three-dimensional materials when exposed to body fluids. Gene expression analysis suggests that Ca/P sol particles induce upregulation osteoblast gene expression (Runx2, OPN, OCN) in preosteoblasts during early culture time points. Upon further modification-specifically increasing particle stability-these Ca/P sol particles possess the potential to serve as a simple and unique means to modify biomaterial surface properties as a means to direct osteoblast differentiation.