Ligandenstruktur und Stabilität von AuNP-Konjugaten

wer-Theoretische Grundlagen und Forschungshintergrund zu Kapitel 2 95 den, um die Ligandenhüllen von AuNP-Konjugaten zu studieren. Methodisch sind dafür die Elektrolyt-induzierte Aggregation, die DTT-induzierte Aggregation und das oxidative Ätzen mit Cyanid geeignet. Im folgenden Abschnitt sollen abschließend einige Überlegungen zum Zusammenhang von Struktur der Ligandenhülle und Stabilität der AuNP-Konjugate dem Ergebnisteil vorangestellt werden.

-Mercaptocarbonsäuren könnte eine Zunahme von Defekten und ungeordneten Bereichen bei längeren Ketten eine Rolle spielen. Diese werden durch starke Wasserstoffbrückenbin-dungen der Carboxylgruppen und deren (Rück-) Bindung an die Goldoberfläche im Zusammenspiel mit der zunehmenden Flexibilität der Ketten befördert.¹⁰⁴ Zu einem ähnlichen Ergebnis führen Überlegungen zur Korrelation von Stabilität und Ligandenlänge bei Polymerliganden. Zwar nimmt die Dicke der Ligandenhülle mit der Polymerkettenlänge zu, andererseits haben größere Polymere auch einen höheren Platzbedarf, da deren bevorzugte Konformation typischerweise durch das statistische Knäuel beschrieben werden kann, dessen Durchmesser mit der Kettenlänge zunimmt. Dementsprechend kann die abnehmende Bedeckungsdichte den Vorteil der zunehmenden Dicke ab einer bestimmten Länge relativieren. Studien zur Abhängigkeit von PEG-Länge und Bedeckungsdichte bestätigen den beschriebenen Zusammenhang,^232,180 der resultierende Einfluss auf die Stabilität und Biorepulsivität der PEG-Konjugate bzw. -SAMs ist aber nicht eindeutig.134,165,174,181,178

Systematische Untersuchungen zum Einfluss der PEG-Länge auf die Stabilität gegen oxidatives Ätzen und DTT-induzierte Aggregation sind dem Verfasser zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt.

Die laterale Dimension bzw. die Verzweigung der Liganden kann die Stabilität der Kon-jugate gegen oxidatives Ätzen erhöhen aber auch verringern.¹²³ Wenn aus dem zusätzlichen sterischen Anspruch durch die Verzweigung eine geringere Bedeckungsdichte resultiert, ist die Stabilisierung verringert. Befindet sich die Verzweigung dagegen in ausreichendem Abstand von der bindenden Thiolatgruppe, so dass die Bedeckungsdichte nicht beeinflusst wird, so können die zusätzlichen Van-der-Waals-Wechselwirkungen und die schlechtere Durchdringbarkeit der Ligandenhülle stabilisierend wirken. Ebenso wirken starke Wasser-stoffbrückenbindungen zwischen den Liganden stabilisierend¹²⁵ und –als kovalentes Analogon- die Kreuzvernetzung von Teilen der Ligandenhüllen, wie sie z.B. in den micellaren Strategien der Gruppe von Weller angewendet wird.233,234,184

2.2.5.2 Ladung

Die Oberflächenladung der Konjugate wird durch die terminalen Gruppen und deren Wechselwirkung mit dem Medium bestimmt. Über den Anteil von Carboxylgruppen und Aminogruppen in der Ligandenhülle lässt sich das -Potential in einem weiten Bereich ein-stellen.^183,184 Gemäß der DLVO-Theorie wirkt eine hohe Oberflächenladung stabilisierend, allerdings ist die DLVO-Theorie für die Beschreibung von vielen AuNP-Konjugaten nicht direkt geeignet, weil sie nicht die Wechselwirkungen der Ligandenhüllen und des Mediums berücksichtigt. Insbesondere in biologischen Anwendungen kann eine geladene Oberfläche

Theoretische Grundlagen und Forschungshintergrund zu Kapitel 2 97 nachteilig sein, weil sie unspezifische Adsorption verstärken kann.¹⁸⁵ Unspezifische Adsorp-tion kann aber auch in nicht-biologischen Medien, die also keine Zellen, Proteine, Peptide etc.

enthalten, stattfinden und problematisch sein, z.B. die unspezifische Adsorption an Gefäß-wände. Geladene Gruppen an der Oberfläche können auch zu Agglomeration führen, entwe-der mit anentwe-deren, gegensätzlich geladenen Partikeln, oentwe-der durch verbrückende Moleküle oentwe-der Ionen vermittelt. Dies können für positiv geladenen Aminotermini z.B. freie Citratmoleküle sein,¹⁸⁶ negativ geladene Gruppen wie Carboxylate agglomerieren besonders in Gegenwart von Calciumionen.¹⁸⁵ Die Ladung der Liganden kann die Packungsdichte beeinflussen, z.B.

können deutlich höhere Bedeckungsdichten von Oligomeren auf AuNP erreicht werden, wenn die Adsorption in Lösungen mit höherer Salzkonzentration erfolgt.¹⁵⁴ Die elektrostatische Repulsion zwischen den negativ geladenen Oligomeren wird durch die bessere Abschirmung bei hohen Ionenstärken verringert. In Polymeren mit nur einer terminalen geladenen Gruppe ist hingegen keine Beeinflussung der Packungsdichte zu erwarten. Zur Frage wie die Oberflä-chenladung von AuNP-Konjugaten deren Stabilität gegen oxidatives Ätzen oder DTT-indu-zierte Aggregation beeinflusst, liegen keine systematischen Studien vor. Es lässt sich speku-lieren, ob negativ geladene Gruppen aufgrund elektrostatischer Repulsion, oder positiv geladene Gruppen durch elektrostatische Attraktion, das Eindringen von Cyanidionen in die Ligandenhülle hemmen können, allerdings werden solche Überlegungen der Komplexität der Reaktion wohl nicht gerecht. Citratstabilisierte AuNP werden beispielsweise sehr schnell und bereits von geringen Cyanidkonzentrationen destabilisiert und aufgelöst und angesichts dieser Beobachtung scheint der Beitrag der Oberflächenladung zur Stabilisierung gering zu sein.

2.2.5.3 Zähnigkeit

Mehrzähnige Liganden sind aufgrund des Chelat-Effektes stärker an Substrat- und Partikeloberflächen gebunden und es wurden daher viele mehrzähnige Ligandentypen entwi-ckelt.²³⁵ Wichtige Beispiele sind die in der Gruppe von Mattoussi entwickelten zweizähnigen PEG-Thiolat-Liganden, die auf Liponsäure basieren,¹⁹⁰ aber auch dreizähnige,^236,189 mehrzähnige¹⁸⁸ und vielzähnige bzw. multi- oder polydentate^191,192 PEG-Thiolat-Liganden wurden bereits vorgestellt. Mehrzähnige Thiolatliganden sind auch für die Stabilisierung anderer Nanomaterialien als AuNP geeignet, besonders für die von Quantenpunkten. Weil die Affinität von Thiolen zu deren Oberfläche geringer ist, kommt der Vorteil des Chelat-Effektes hier stärker zum Tragen. Das on/off Gleichgewicht kann dann im Vergleich zu Quanten-punkten mit einzähnigen Thiolatliganden sehr stark verschoben, die Konzentration an freiem Liganden also sehr verringert, bzw. die funktionalisierten Quantenpunkte stark verdünnt wer-den, ohne dass deren Stabilität beeinträchtigt wird.¹⁸⁹ Bei Gold ist das aufgrund der stabilen

Schwefel-Gold-Bindung auch mit einzähnigen Thiolatliganden möglich. Nachteile mehrzäh-niger Liganden sind ihre häufig höhere chemische Labilität und ihr höherer footprint im Ver-gleich zu Monothiolen. Mit mehrzähnigen Thiolen lassen sich in der Regel wohl nicht die Bedeckungsdichten von Monothiolen erreichen, sie adsorbieren aber stärker an die AuNP-Oberfläche und sind von dieser auch schwieriger zu entfernen. Im Einklang mit dieser Vor-stellung sind die experimentellen Ergebnisse, die eine höhere Stabilisierung von AuNP gegen oxidatives Ätzen durch Monothiole, aber eine höhere Stabilisierung gegen kompetitiven Ligandenaustausch durch mehrzähnige Liganden zeigen.¹²⁴

Die Struktur der Ligandenhülle lässt sich also über die Struktur der Liganden hinsichtlich verschiedener Parameter steuern. Dabei ist es wichtig, die einzelnen Parameter differenziert zu betrachten. Zum Beispiel führen höhere Polymerkettenlängen oder Mehrzähnigkeit der Liganden nicht immer zu einer höheren Stabilität der Konjugate. Zusätzlich muss auch die Stabilität selbst differenziert betrachtet werden. Durch Kombination verschiedener Stabili-tätstest lassen sich dann Eigenschaften der Ligandenhüllen studieren, die mit üblichen Charakterisierungsmethoden (z.B. TEM, DLS, UV/vis, IR, NMR) nicht ohne Weiteres zugänglich sind. Elektrolyt-induzierte Aggregation weist schnell und einfach elektrostatische Stabilisierung in Abgrenzung zu sterischer nach, DTT-induzierte Aggregation hängt von der chemischen Stabilität der AuNP-Ligandenbindungen ab, aber auch von der Durchdringbarkeit der Ligandenhülle. Oxidatives Ätzen hängt schließlich primär von der Durchdringbarkeit der Ligandenhülle ab.

In dieser Arbeit wurden diese Techniken genutzt, um verschiedene Parameter zu studieren, die die Stabilität von PEGylierten AuNP beeinflussen könnten. Neben Polymerlänge, Partikelgröße, Zähnigkeit und Matrix lag ein besonderer Schwerpunkt auf der Struktur der PEG-Thiolat-Liganden nahe der Ankergruppe. Dazu wurden sowohl AuNP als auch verschiedene PEG-Liganden synthetisiert, umfassend charakterisiert und systematischen Stabilitätstests unterzogen.

Experimentalteil zu Kapitel 2 99