Augsburg, Univ., Diss., 2008.

Universiẗat, Diss., 2004--Kassel. / Download lizenzpflichtig.

Le diamant présente des caractéristiques physique, chimique et mécanique exceptionnelles : une grande conductivité thermique, une dureté très élevée, une large bande, une transparence optique (de l'UV à l'IR) et une grande stabilité chimique. C'est un semi-conducteur à grand gap (5,45eV) possédant de bonnes propriétés mécaniques et caractérisé par ses propriétés de biocompatibilité. Le dopage de celui-ci lui confère de bonnes propriétés de conduction électrique et donc ouvre des perspectives pour son utilisation en bioélectronique. Pour cette fin, il est devenu urgent de développer une chimie de surface spécifique pour introduire des fonctions chimiques ou biologiques sur la surface. Mon travail de thèse s'inscrit dans cette perspective. D'un point de vue technologique, le diamant cristallin est très cher et donc notre étude a été limitée au diamant polycristallin. Dans cette thèse, on a contribué à la mise au point de nouvelles méthodes de fonctionnalisation de la surface de diamant. Ces méthodes sont basées sur des concepts chimique, photochimique et électrochimique et permettent d'introduire des groupements fonctionnels sur la surface de diamant de façon contrôlée. La première partie de ma thèse concerne la réaction d'oxydation de la surface de diamant hydrogéné en utilisant trois différentes techniques: plasma d'oxygène, voie électrochimique et UV/ozone. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai utilisé pour la première fois la réaction de couplage par « click ». La troisième partie de ma thèse concerne l'étude de la réactivité des surfaces de diamant oxydé avec un liquide ionique (IL, 1-(Methylcarboxylcacid)-3octylimidazolium-bis (tritluoromethyl sulfonyl) imide). Finalement, nous avons mis au point une nouvelle technique d'halogénation de la surface de diamant hydrogéné. / Diamond, owing to its combination of specific physical, chemical and mechanical properties such as high thermal conductivity, high hardness, large band gap, optical transparency over a wide wavelength region (from UV to IR), stability against chemical reagents, high mechanical stability, corrosion resistance and biocompatibility has been regarded as one of the most promising industrial materials in various fields. Diamond display a very large band-gap (5.45eV), but can be made conducting by doping with certain elements. On basis of all above properties, diamond is a particularly attractive substrate for robust chemical and biochemical modification for sensor applications. ln this thesis, we have contributed to the development of easy, controllable and specific surface functionalization methods for the introduction of different functional groups on the diamond surface. These methods are based on chemical, photochemical, and electrochemieal concepts. The first part of my thesis deals with the reaction of oxidation of the hydrogenated diamond surface using three different techniques: plasma oxygen channel eleetrochemieal and UV/ ozone. ln the second part of my thesis, l first used the coupling reaction by "click". The third part of my thesis deals with the study of the reactivity of oxidized diamond surfaces with an ionic liquid (IL, 1-(Methylcarboxylcacid)-3-octylimidazolium-bis (trifluoromethyl sulfonyl) imide). Finally, we have developed a new technique of halogenation of hydrogenated diamond surface.

Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2008

Nanodiamant bietet in der Medizin und in der Biologie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten aufgrund der guten Biokompatibilität und geringen Toxizität. Durch die umfangreichen Funktionalisierungsmöglichkeiten der Oberfläche der nanometergroßen Partikel können viele unterschiedliche Wirkstoffe, Rezeptormoleküle oder Peptidsequenzen angebunden werden ,die zusammen mit Nanodiamant ein anderes, durchaus besseres Wirkprofil aufweisen als der Wirkstoff allein. Ziel dieser Arbeit war die Synthese eines pH-labilen Linkersystems, dass hydroxylhaltige Wirkstoffe kovalent bindet und zusammen mit Nanodiamant in die Zelle, in der ein saurer pH-Wert herrscht, eingeschleust werden. Über die Änderung des pH-Wertes in der Zelle soll der Wirkstoff freigesetzt werden und seine Wirkung entfalten können. Weiterhin wurde ein pH-labiles Linkersystem auf der Basis eines Hydrazons hergestellt. Über das synthetisierte Hydrazinderivat können Wirkstoffe, die über eine Aldehyd- oder Ketonfunktion verfügen angebunden werden und pH-labil in der Zelle freigesetzt werden. Zusätzlich trägt der Nanodiamant ein kovalent angebundenes Targeting-Molekül, welches eine verbesserte Adressierung der Wirkorte gewähr¬leisten soll. Die Freisetzung wurde mittels UV-Vis-Spektroskopie detektiert und ausgewertet. Neben der spezifischen Funktionalisierung von Nanodiamant besitzt auch die Interaktion der Nanodiamantpartikel mit biologischen Medien eine besondere Bedeutung für zukünftige biomedizinische Anwendungen. Wenn die Partikeloberfläche durch Proteinadsorption gegenüber dem Wirkort abgeschirmt wird, so kann der angebundene Wirkstoff gegebenenfalls nicht freigesetzt werden und somit nicht seine Wirkung entfalten und bleibt letztlich ungenutzt. So war es von besonderem Interesse die Wechselwirkungen von Nanodiamant in Humanserum und auch weiteren physiologischen Medien zu untersuchen. Dabei wurden sowohl freie Nanodiamantpartikel als auch solche, die auf klinisch bereits eingesetzten Gerüstmaterialien im Bereich der Therapie großer Knochendefekte adsorbiert waren, untersucht. Auch wurden die Wechselwirkungen von Nanodiamant mit der physiologischen Umgebung untersucht, die zur Agglomeration der Nanopartikel führen können. Es wurde ein unter¬schiedliches Agglomerationsverhalten der Nanodiamanten in wässriger Umgebung verglichen mit Nanodiamanten in physiologischen Medien sowie deren Stabilität im Serum beobachtet. Durch die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen konnten wichtige Erkenntnisse zur Wechselwirkung verschieden präparierter und funktionalisierter Nanodiamanten mit physiologisch relevanten Umgebungen sowie zu stimuli-responsiven Wirkstofffreisetzung aus Nanodiamant-Konjugaten gewonnen werden. Zudem wurde mit der Untersuchung der angelagerten Proteine um Nanodiamant ein erster Schritt in Richtung eines umfassenden Verständnisses der Wechselwirkung dieses Materials mit biologischen Umgebungen unternommen. Auch wenn diese Wechselwirkungen sehr komplex sind, so sind erste Aussagen bezüglich der Art der angelagerten Proteine möglich. Erste Versuche der Stabilisierung von Nanodiamant in physiologischen Medien wurden ebenfalls erfolgreich durchgeführt und zeigen eine effiziente und einfache Möglichkeit, Nanodiamant in biologischen Medien vor der Agglomeration zu bewahren. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse bezüglich mehrfacher Funktionalisierungsmöglichkeiten von Nanodiamant sowie dessen Stabilisierung in physiologischen Medien zeigen die breite Anwendungsmöglichkeit und das enorme Potential von Nanodiamant im Bereich medizinischer und biologischer Anwendungen auf. / Nanodiamond offers various possible applications in medicine and biology because of its good biocompatibility and low toxicity. Due to the extensive opportunities functionalizing the surface of the nanosized particles it is possible to bind a lot of different active pharmaceutical ingredients (API), receptor molecules or peptide sequences. This functionalization can result in an improved efficacy compared to the profile of the drug alone. The aim of this thesis was the synthesis of a pH-labile linkersystem which covalently binds hydroxyl group-containing APIs and transfer them together with nanodiamond into the cells, where an acidic environment is predominant. Because of the change of the pH-value the drug gets released and can take its effect. Furthermore, a pH-labile linkersystem based on the formation of a hydrazon bond was synthesized. APIs containing an aldehyde or a ketone can be linked to the synthesized hydrazine derivative 70 and be released in cells due to the acid-labile bond. Additionally, the nanodiamond has a covalently bound targeting molecule to assure an improved uptake into the cell. The release of Doxorubicin was detected and evaluated via UV-Vis-spectroscopy. Besides the specific functionalization, the interaction of nanodiamond particles with biological media is gaining more and more importance regarding future biomedical applications. If the particle surface is shielded with proteins it is possible that the linked drug cannot be released, remains unused and cannot develop its desired effect. Because of this reason it was of main interest to examine the interactions of nanodiamond in human serum and further physiological media. Nanodiamond without further functionalization were analysed as well as nanodiamonds which are adsorbed on materials that are already in clinical usage in the field of greater bone defects. The interactions of nanodiamond with a physiological environment which can lead to the agglomeration of the particles was also examined. A different agglomeration bahaviour of nanodiamond in aqueous media was compared to nanodiamond in physiological media as well as their stability in serum. Due to the presented studies in this thesis important insights into the interactions of functionalized and different prepared nanodiamonds with physiological relevant environments as well as with stimuli-responsive drug release from nanodiamond conjugates were obtained. Furthermore, the examinations of the attached proteins around nanodiamond is the first step getting towards a better comprehensive understanding of the interactions of this material with its biological environment. Even if these interactions are very complex, first statements according to the type of attached proteins are possible. First trials of stabilizing nanodiamond in physiological media have been carried out successfully and demonstrate an easy and effective way to hinder agglomeration of nanodiamond in biological media. Finally, the insights gained in this thesis regarding the multiple possibilities of nanodiamond as well as their stabilization in physiological media offers a broad range of applications and the tremendous potential of nanodiamond in the field of medical and biological research.

Thesis (M.A.)--Georgia State University, 2009. / Title from title page (Digital Archive@GSU, viewed July 27, 2010) Kathryn McClymond, committee chair; Michael Galchinsky, Timothy Renick, committee members. Includes bibliographical references (p. 72-76).

München, Techn. University, Diss., 2003.

Les nanoparticules fonctionnalisées continuent de susciter beaucoup d’interêt dans les applications biomédicales et les essais biologiques. Elles sont devenues un élément clé dans la recherche en nanobiotechnologie. Un des axes primordiaux des travaux de recherche est le développement de stratégies polyvalentes de fonctionnalisation de surface pour différentes nanoparticules allant de nanostructures de diamants à des nanoparticules d'oxyde de fer, des particules de silice et des nanocapsules lipidiques. Un des objectifs en particulier a été l’introduction de diverses fonctionnalisations sur les mêmes nanoparticules en utilisant soit des ligands dérivés de la dopamine ou soit par chimie « click » de Cu(I) catalysé. Il en résulte des nanostructures bien dispersées fonctionnalisées avec différents ligands à leurs surfaces. Les applications de ces nanostructures pour l'inhibition des infections virales et pour la délivrance de gènes ont été étudiées. En effet, l'inhibition de l'entrée du VHC a été identifiée comme étant une stratégie thérapeutique potentielle. Il a pu être démontré que différentes nanoparticules peuvent être efficacement conçues pour afficher les propriétés de lectine et se comporter donc comme des inhibiteurs efficaces d'entrée du virus in vitro. Les pseudo-lectines étudiées ici comprennent les nanoparticules dérivées du fer, de silice, du diamant et des nanocapsules lipidiques comportant toutes des fragments d’acide boronique attachés à leurs surfaces.Par ailleurs, le potentiel des nanoparticules de diamant pour la délivrance de gènes a été étudié. / Functionalized nanoparticles continue to attract interest in biomedical applications and bioassays and have become a key focus in nanobiotechnology research. One of the primal focuses of the research work was the development of versatile surface functionalization strategies for different nanoparticles ranging from diamond nanostructures to iron oxide nanoparticles, silica particles and lipid nanocapsules. One particular aim was the introduction of various functionalities onto the same nanoparticles using either dopamine-derived ligands or Cu(I) catalyzed “click” chemistry strategies. This resulted in well-dispersed nanostructures with different ligands present on the surface of the nanostructures. The possibilities to use such nanostructures for the inhibition of viral infections and for gene delivery were investigated. Indeed, inhibiting the entry of HCV has been identified as a potential therapeutic strategy. It could be demonstrated that various nanoparticles can be efficiently engineered to display “lectin-like” properties and indeed behave as effective viral entry inhibitors, in vitro. The pseudo-lectins investigated here include iron-, silica-, diamond-, (lipid nanocapsule)-derived nanoparticles all featuring surface-attached boronic acid moieties. In parallel to work on HCV entry inhibition, the potential of diamond nanoparticles as gene delivery system was investigated. Water dispersible and biocompatible polypegylated diamond particles were prepared using different dopamine ligands and their effect on gene delivery has been studied.

La possibilité de fabriquer des dispositifs optiques pour la détection d’interactions chimiques,sans marquage et en temps réel, présente un intérêt croissant. Notamment, les cristaux photoniques(CPh) présentent un fort potentiel pour une telle application. Contrairement au silicium, majoritairementexploité pour la réalisation de telles structures, le diamant possède l’avantage d’avoir unesurface carbonée biocompatible permettant une fonctionnalisation covalente et stable de biomoléculesspécifiques. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier la potentialité qu’offre ce matériau pour la réalisationde CPh 2D destinés à des applications de biodétection. Pour cela, une plateforme photoniquemonolithique compacte, intégrable sur silicium et optimisée pour un fonctionnement aux longueursd’onde proches de 1.55 μm a été développée. Une géométrie de cavité à fente a été retenue afin demaximiser la sensibilité des structures photoniques à leur environnement extérieur. Des méthodesnumériques ont permis de préciser les paramètres géométriques des CPh. Des procédés de microstructurationde films minces de diamant polycristallin sur substrat silicium 2 pouces ont été développéset optimisés, pour aboutir à la réalisation de CPh caractérisés par des facteurs de qualité pouvantatteindre 6500. Deux procédés technologiques spécifiques aux films de diamant polycristallin ont notammentété développés : un procédé de lissage et un procédé de transfert de films de diamant surisolant. La sensibilité optique des CPh en diamant à une modification chimique de surface a ensuiteété étudiée et a tout d’abord montré une forte dépendance de leurs performances optiques à de simplesvariations des terminaisons chimiques du matériau. Par la suite, une preuve de concept de détectionsurfacique de protéines en milieu liquide par les CPh en diamant a été réalisée en utilisant le systèmede bioreconnaissance biotine/streptavidine, donnant une limite de détection estimée pour le systèmeà 10 μg/mL. Enfin, des travaux préliminaires de détection dans le visible ont été engagés via la réalisationde cavités à CPh fonctionnant à 600 nm, présentant déjà des facteurs de qualité dépassant les1500. / The ability to fabricate optical devices enabling the real time detection of chemical interactions,avoiding the use of markers, has motivated a growing interest. In particular, photonic crystals (PhC)based structures are promising candidates for such applications. Unlike silicon, that has currentlybeen used for most of these demonstrations, diamond offers a high stability and a versatile carbonsurface that can be functionalized to covalently bond specific organic or bio-molecules on its surface.In this context, this thesis aims at studying the interests of diamond for the realization of novel 2DPhC dedicated to biodetection applications. A fully monolithic compact photonic platform, integratedon silicon and optimized to work at wavelength of 1.55 μm was developed. A geometry consistingin a slotted cavity was chosen in order to maximize the sensitivity of such photonic structures totheir environment. Numerical methods allowed to determine the geometrical parameters of the PhC.Diamond microstructuration processes of polycrystalline diamond films deposited on two-inch siliconwafers were developed and optimized for the realization of PhC cavities with quality factors up to6500. Two technological processes specifically dedicated to polycrystalline diamond were developed : asmoothing process and a diamond layer on insulator integration by wafer bonding technology process.The optical sensitivity of diamond PhCs to simple surface modifications was studied and showed that,depending on the chemical surface termination, these diamond PhCs exhibit a strong modification oftheir spectral features. A proof of concept for surface detection in a water environment was realizedusing the biotin/streptavidin biorecognition system. The detection limit of the system was estimatedto be 10 μg/mL. Finally, first steps to detection in the visible range were made with the realization ofPhC working at 600 nm and exhibiting Q factors exceeding 1500.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist das Design, die Synthese und das anschließende Testen von Nanodiamant-Wirkstoff-Konjugaten. Dafür müssen zunächst Nanodiamanten mit geeigneten Linkersystemen funktionalisiert werden, um anschließend verschiedene pharmazeutische Wirkstoffe auf der Diamantoberfläche zu immobilisieren. Die Wirksamkeit der so angebundenen Inhibitoren auf die verschiedenen Erreger muss anschließend in vitro und in vivo getestet werden. Auch die Art der Aufnahme der Nanodiamanten in die verschiedenen Zellen muss untersucht werden. Dazu sollen Fluoreszenzfarbstoffe, wie z.B. Oregon Green 488, auf der Diamantoberfläche immobilisiert werden. / Because of its low toxicity and rich surface chemistry nanodiamond is well suited for the application in the fields of biology and medicine. The aim of this work is the development of various nanodiamond conjugates as drug delivery systems and components of bone replacement materials. Before the immobilization of drugs the nanodiamond particles need to be functionalized with acid labile linker systems, in this case hydrazones. After entering the acidic cell compartments the drug is released. First of all, the linkers are isolated as diazonium-tetrafluoroborates and after that immobilized on mechanically deagglomerated nanodiamond. The drugs can be bound to the hydrazine linker systems. In this work several drugs are immobilized to the nanodiamond surface via hydrazine linker systems and the drug release under acidic conditions is analyzed. Further compounds are immobilized for the investigation for future bone replacement materials, namely dyes and growth factors.