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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/4505

Title: Functionalization of water-soluble gold nanoparticles for biological applications
Authors: Pace, Alice
Supervisor/Tutor: Pasquato, Lucia
Issue Date: 5-Apr-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Water-soluble gold nanoparticles represent an appealing scaffold for the preparation of robust and biocompatible bioconjugates. Indeed, many examples of gold nanoparticles-bioconjugates as new materials in several fields as material science, biology and medicine have been reported in the literature. The organic monolayer protecting the metallic core plays a key role in determining the properties of the system as stability, solubility, and specific interactions with biological environment. The present thesis is focused on the functionalization of water-soluble gold nanoparticles in order to develop new tools in diagnostics, drug-delivery and enhanced immuno-sensing. Gold nanoparticles protected by mixtures of ligands of different nature have been taken into consideration in the development of the three main projects of this thesis. The first project is about the synthesis of gold nanoparticles with a gold core of 1.7 nm suited for crystallization, in order to perform diffractometric analysis aimed to solve the structure of larger systems than that already reported and to find other geometries of the gold core. To this aim, gold nanoparticles protected by a monolayer of p-mercaptobenzoic acid have been synthesized, purified and characterized. The choice of an aromatic ligand with a carboxylic group imparts stability to the clusters and plays a strategic role in crystals formation. Crystallization trials under a variety of different conditions and preliminary observations about the stability of the nanoparticles are reported. Up to now suitable crystals for X-ray analysis could not be obtained. The second project is part of an ongoing investigation of the morphological organization of the monolayer protecting gold nanoparticles in order to complete previous studies carried out in our research group. Recent results from our laboratories, obtained by ESR measurements, support the formation of “patches” domains in the mixed-monolayer of water-soluble gold nanoparticles when mixtures of perfluoroalkyl- and alkylthiolates are used to form the monolayer. The complexity of these systems may also be increased introducing functional thiolates in the monolayer in a controlled topology. The preliminary results obtained so far should be completed with other investigations using different methodologies and supported by studies also on flat surfaces. Moreover, to understand the ability of the amphiphilic thiols to phase-segregate, we thought to study also micellar aggregates. The final goal is to use this phase-segregated monolayers to create clusters of functional thiols for multivalent recognition. Water-soluble gold nanoparticles coated by amphiphilic thiols of different lipophobicity have been prepared and characterized, and new ligands suited for the studies on micelles and on 2D self-assembled monolayers have been designed and synthesized. The results of Electron Spin Resonance (ESR), Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Atomic Force Microscopy (AFM) studies on these systems are reported and discussed. The third project is aimed to find new synthetic strategies to obtain biocompatible gold nanoparticles presenting multiple bioactive residues for multivalent recognition processes. In particular, a mimetic of the antigen GM3 Ganglioside Lactone with demonstrated antimelanoma reactivity was introduced in the monolayer of water-soluble gold nanoparticles for the development of a biological therapy against cancer. The preparation of nanoparticles of different size and loading of the antigen-mimetic is reported, together with their characterization and the preliminary biological investigations.
Nanoparticelle di oro solubili in mezzi acquosi rappresentano una piattaforma ideale per la sintesi di bioconiugati stabili e compatibili con le cellule. Infatti la letteratura scientifica riporta molti esempi di nanoparticelle di oro coniugate con biomolecole come prototipo di nuovi materiali applicabili in diversi ambiti tra cui la scienza dei materiali, la biologia e la medicina. Il monostrato organico che protegge il nocciolo metallico riveste un ruolo fondamentale nel determinare le proprietà dell’intero sistema quali la stabilità, la solubilità e le eventuali interazioni specifiche con i sistemi biologici. La presente tesi si focalizza sulla funzionalizzazione del monostrato di nanoparticelle di oro idrosolubili finalizzata allo sviluppo di nuovi strumenti ad uso diagnostico, terapeutico, e con applicazione nel sensing immunologico. Nello sviluppo dei tre progetti principali in cui la tesi si articola, sono state studiate nanoparticelle di oro protette da miscele di ligandi di natura diversa. Il primo progetto riguarda la sintesi di nanoparticelle di oro aventi diametro del gold core di 1.7 nm adatte alla cristallizzazione, al fine di effettuare un’analisi diffrattometrica che consentisse di risolvere la struttura di nanoparticelle di dimensioni maggiori rispetto a quelle riportate in letteratura e di individuare caratteristiche strutturali quali ad esempio la geometria del nocciolo di oro. A questo scopo sono state preparate nanoparticelle di oro protette da un monostrato composto da molecole di acido p-mercaptobenzoico, che sono state purificate e caratterizzate. La scelta di un ligando aromatico avente gruppi funzionali carbossilici conferisce particolare stabilità ai clusters e riveste un ruolo strategico nella formazione dei cristalli. Le prove di cristallizzazione in diverse condizioni sperimentali e alcune osservazioni preliminari riguardo la stabilità di queste nanoparticelle sono di seguito riportate. Finora non è stato ancora possibile ottenere cristalli adatti per le analisi diffrattometriche. Il secondo progetto è parte di un’indagine rispetto alla morfologia del monostrato protettivo delle nanoparticelle di oro, finalizzata a completare studi già avviati nel nostro gruppo di ricerca. Recenti risultati ottenuti nei nostri laboratori mediante misure ESR sono fortemente indicativi relativamente alla formazione di domini a “macchie” nel monostrato di nanoparticelle idrosolubili composto da miscele di tiolati alchilici e perfluoro-alchilici. Questi sistemi possono raggiungere un elevato livello di complessità mediante l’introduzione con controllo topologico di tiolati funzionalizzati. Il completamento dei risultati preliminari mediante l’impiego di ulteriori tecniche e il supporto mediante studi su superfici piane è un obiettivo di primaria importanza. Inoltre, la comprensione del fenomeno di segregazione tra tioli anfifilici potrebbe essere agevolata da studi su sistemi di tipo micellare. L’obiettivo finale è l’applicazione di suddetta segregazione di fase nella realizzazione di clusters con monostrati recanti tioli funzionalizzati per il riconoscimento multivalente. Sono state preparate e caratterizzate nanoparticelle di oro idrosolubili protette da tioli anfifilici aventi diversa lipofobicità, e sono stati progettati e sintetizzati nuovi ligandi adatti allo studio su aggregati di tipo micellare e su monostrati bi-dimensionali. I risultati ottenuti mediante Risonanza di Spin Elettronico (ESR), Microscopia a Scansione per effetto Tunnel (STM) e Microscopia a Forza Atomica (AFM) su questi sistemi sono di seguito riportati e discussi. Il terzo progetto è finalizzato alla realizzazione di nanoparticelle biocompatibili coniugate a molteplici unità di composti farmacologicamente attivi per il riconoscimento multivalente. In particolare, un mimetico dell’antigene GM3 Ganglioside Lattone con testata attività antitumorale nei confronti di cellule di melanoma è stato introdotto nel monostrato di nanoparticelle di oro idrosolubili nello sviluppo di una terapia antitumorale di tipo biologico. La sintesi di nanoparticelle di varie dimensioni e con diversa composizione del monostrato organico recanti il mimetico di antigene, ed i risultati ottenuti dai primi test biologici sono qui di seguito riportati.
PhD cycle: XXIII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE E FARMACEUTICHE
Description: 2009/2010
Keywords: Gold Nanoparticles
Self-Assembled Monolayers
Multivalent recognition
Glyconanoparticles
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: CHIM/06 CHIMICA ORGANICA
NBN: urn:nbn:it:units-9020
Appears in Collections:Scienze chimiche

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