Development of metal and metal oxide nanoparticles and investigation of their potential applications

Son yıllarda, araştırma-geliştirme ve endüstriyel alanlarında, özgün kimyasal, fiziksel ve biyolojik özellikleri nedeniyle metal bazlı nanomalzemelerin kullanımı büyük önem kazanmıştır. Altın nanoparçacıkları (ANP) ve süper paramanyetik demir oksit nanoparçacıkları (SPION) en çok çalışılan ve en ilgi çeken yapılardır. Her iki nanoparçacık, kataliz, sensör, enerji ve sağlık alanında terapötik ve görüntüleme amaçlı gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, tıptan katalizöre kadar farklı uygulamalarda kullanılacak nanoparçacık bazlı bir alet kutusu oluşturmak için partikül büyüklüğü, kararlılığı ve absorbans özellikleri; ayrıca yüzey kimyasını kontrol etmek için altın nanoparçacık sentezi ve fonksiyonlandırılması üzerine kapsamlı bir araştırma yapılmasını amacladık. Bu amaçla, farklı indirgeyici ve kaplama malzemeleri kullanarak geniş bir fonksiyonel altın nanoparçacık portföyü oluşturulmuştur. Polietilenimin (PEI) kaplı katyonik ANP'ler, gen taşınımı ve kataliz potansiyeli nedeniyle bu tezin temel konularından biridir. Anyonik ANP'ler tıptaki potansiyeli için başka bir ana başlığı kapmasamaktadır. SPION alanında ise, sülfonik asit fonksiyonel, küçük ve kararlı SPION'lar, hedefli ilaç taşınımı ve görüntülemeden, fototermal terapiye kadar çeşitli alanlarda kullanılması amacı ile üretilmiştir. İkinci bölümde, aurik asidin su içerisinde dallı polietilenimin ile geniş bir pH aralığında doğrudan indirgenmesiyle küçük, katyonik altın nanoparçacıkları (ANP) sentezlenmesi incelenmiştir. Bazik pH ortamında PEI kaplı ANP ilk kez çalışılmıştır. Bazik pH'da PEI'nin hem daya iyi bir indirgeyici olması, hem de yüzey pasivasyonu elde edilmesini sağlamıştır. Böylece daha uzun süre stabiliteye sahip ve daha keskin yüzey plasmon bandına sahip, hidrodinamik boyutu yaklaşık 6 nm olan ANPler sentezlenmiştir. Bu sentez yöntemi ile farklı moleküler ağırlığa sahip (0.6, 1.8, 10, 25kDa) dallı PEI'ler ile kolloidal ANP'ler üretilmiştir. Moleküler ağırlık, kristal boyutunu çok etkilememiş ancak hidrodinamik boyutu ve kararlılığı etkilemiştir. Üçüncü bölümde de benzer parametreler lineer PEI (lPEI) kullanılarak incelenmiştir. lPEI, bPEIye göre daha biyouyumlu olarak kabul edilir. lPEI yapısında bPEIye göre primer amin grubu bulunmadığı için aurik asidin indirgenmesini ve nanoparçacıkların kararlılığını etkileyen faktörlerin farklı olması beklenmektedir. Küçük, kararlı katyonik ANPler su içerisinde lPEI ile ilk kez sentezlenmiştir. lPEI'nin protonlanması ve deprotonasyonu, indirgeme, yüzey adsorpsiyonu ve parçacık kararlılığı için değerli bir değişkendir. PEI / Au oranı, polimer molekül ağırlığı (2.5 ve 25 kDa), reaksiyon pH'ı (3.5 ila 10), lPEInin çözünme metodu ve sentez sonrası pH'ın parçacık özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Son olarak, ANP'lerin toplanmasını önlemek için iki farklı saflaştırma yöntemi değerlendirilmiştir. Polimerin moleküler ağırlığından bağımsız olarak, kolloidal lPEI-GNP sentezi ve uzun vadeli kararlılığı için lPEInin protonasyonuna ihtiyaç vardır. lPEI-GNP sentezi ve kararlılığı için en iyi yöntem lPEI protone ederek çözmek ve kontrollü santrifüj çökeltmesi ile temizlemektir. Moleküler ağırlık hidrodinamik boyutu, kararlılığı veya parçacık şeklini etkilememiştir, ancak düşük moleküler ağırlığına sahip olan lPEIler fasetlenmiş partiküllerin oluşmasını sağlamıştır. Çalışılan metot, küçük kararlı katyonik ANPlerin düşük moleküler ağırlığa sahip PEI'ler kullanılarak dahi tek seferde su içerisinde sentezlenmesine olanak sağladığı için değerli ve kolay bir alternatif sentez yöntemi olmuştur. Dördüncü bölümde, anyonik altın nanoparçacıkları, kaplama olarak 3MPA ve indirgeyici bir ajan olan NaBH4 kullanılarak modifiye edilmiş tek fazlı Brust-Schiffrin metodu ile sentezlenmiştir. Bu nanoparçacıklar öncelikle, sepsis tedavisinde kan-beyin bariyeri (KBB) boyunca poliklonal Immunoglobulin G'nin (IgG) daha iyi taşınması için biyolojik olarak uyumlu bir nanotaşıyıcı olarak hazırlanmıştır. Bu GNP'ler, KBB'yi geçmek için glikoz ile dekore edilmiş ve IgG, asitle ayrılabilir hidrazon bağlantıları ile GNP'lere konjuge edilmiştir. Bu deneyler sırasında, glikoz ve poliklonal IgG konjugasyon parametreleri derinlemesine incelenmiştir Kullanılan IgG poliklonal olduğu için, geniş bir izoelektrik nokta aralığına (pH 6.3-8.9) sahiptir. Bu sebeple doğru reak- siyon sırasını ve IgGye uygun doğru pH aralığında konjugasyon deneylerinin optimize edilmesi zaman almıştır. Ek olarak, poliklonal IgGye bakteriyel atakları engellemek için uygun çalışma ortamını anlamak başka bir zorluk olmuştur. Beşinci bölümde, fonksiyonel, kararlı, görünür ve yakın-kızıl ötesi (NIR) bölgede absorpsiyonu olan ANPleri sentezi çalışılmıştır. Nispeten yeni olan altın-altın sülfit nanoyapıları, fonksiyonelliğini ve kararlılığını arttırmak amacıyla ilk kez kaplama malzemeleri kullanılarak sentezlenmiştir. Geliştirilen bu parçacıkların, ilaç taşınımı ve fototermal terapi potensiyelleri incelenmiştir. Son bölümde, yeni, çevreci ve tek basamakta sentezlenen sülfonik asit fonksiyonel SPION sentez yöntemi geliştirilmiştir. Bunun için kopresipitasyon yöntemi ve in situ (trihidroksisilil) -l-propanesülfonik asit kaplama olarak kullanılarak sülfonik asit fonksiyonel SPIONlar sentezlenmiştir. Geleneksel sentez methodu organik çözücü içerdiği için, yeni ve su ortamında yapılan sentez metodu özellikle biyomedikal uygulamalar için daha uygundur. Önerilen nanoparçacık hem katalizde hem de katyonik hedefleme molekülleri, ilaçlar ve ışığa duyarlılaştırıcılar yüklenerek hedefli kombine tedavilerde kullanılabilir.