Freie Universiẗat, Diss., 2005--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Atherosklerose ist eine aktive und progressive Erkrankung, bei der vaskuläre Adhäsionsmoleküle wie VCAM-1 eine entscheidende Rolle durch Steuerung der Rekrutierung von Immunzellen in den frühen und fortgeschrittenen Plaques spielen. Ein zielgerichteter Einsatz von VCAM-1-Molekülen mit spezifischen Kontrastmitteln ist daher eine Möglichkeit, die VCAM-1-Expression zu kontrollieren, Plaquewachstum ab einem frühen Zeitpunkt zu visualisieren und eine frühe Prävention von Atherosklerose vor Beginn der Thrombusbildung zu etablieren. Des Weiteren bietet die nichtinvasive Magnetresonanz (MR)-Bildgebung den Vorteil der Kombination molekularer und morphologischer Daten. Sie ermöglicht, mithilfe von entwickelten VCAM-1-markierten Eisenoxidpartikeln, den spezifischen Nachweis entzündlicher Prozesse während der Atherosklerose. Diese Arbeit belegt, dass mit dem VCAM-1-Konzept eine vielversprechende Herangehensweise gefunden wurde und dass das, mit spezifischen superparamagnetischen Eisenoxid (USPIO) konjugierte VCAM-1-Peptid, gegenüber unspezifischer USPIOs ein erhöhtes Potenzial bei der Untersuchung der Atherosklerose in sich trägt. Im ersten Teil der Arbeit konnte im Mausmodell gezeigt werden, dass gerade das VCAM-1-Molekül ein sinnvoller Ansatzpunkt zur Darstellung und Bildgebung von Atherosklerose ist, da in der frühen Phase der Entzündung die vaskulären Zelladhäsionsmoleküle überexprimiert und auch kontinuierlich, während der fortschreitenden Plaquebildung, hochreguliert werden. Weiterhin beschreibt diese Arbeit die Funktionstüchtigkeit und das Vermögen des neu gestalteten USPIO Kontrastmittels mit dem zyklischen Peptid, in seiner Spezialisierung auf die VCAM-1 Erkennung. Experimentelle Studien mit ultra-Hochfeld-MRT ermöglichten weitere ex vivo und in vivo Nachweise der eingesetzten USPIO-VCAM-1-Partikel innerhalb der Region um die Aortenwurzel in frühen und fortgeschrittenen atherosklerotischen Plaques von 12 und 30 Wochen alten Apolipoprotein E-defizienten (ApoE-/-) Mäusen. Mit ihrer Kombination aus Histologie und Elektronenmikroskopie zeigt diese Studie zum ersten Mal die Verteilung von VCAM-1-markierten USPIO Partikeln nicht nur in luminalem Bereich der Plaques, sondern auch in tieferen Bereichen der medialen Muskelzellen. Dieser spezifische und sensitive Nachweis der frühen und fortgeschrittenen Stadien der Plaquebildung bringt auf molekularer Ebene neue Möglichkeiten zur Früherkennung von atherosklerotischen Plaques vor dem Entstehen von 8 Rupturen. Im Gegensatz zum USPIO-VCAM-1-Kontrastmittel scheiterten unspezifische USPIO Partikel an der Identifikation früher Plaqueformen und begrenzten die Visualisierung von Atherosklerose auf fortgeschrittene Stadien in ApoE-/- Mäusen. / Atherosclerosis is an active and progressive condition where the vascular cell adhesion molecules as VCAM-1 play a vital role controlling the recruitment of immune cells within the early and advanced plaques. Therefore targeting of VCAM-1 molecules with specific contrast agent bears the possibility to monitor the VCAM-1 expression, visualize the plaque progression starting at the early alterations, and help to establish early prevention of atherosclerosis before the origin of the thrombus formation, of which late recognition leads to myocardial infarction. Furthermore noninvasive magnetic resonance imaging (MRI) offers the benefit of combining the molecular and anatomic data and would thus enable specific detection of VCAM-1 targeted iron oxide contrast agent within inflammatory process of atherosclerosis. This thesis exactly presents the VCAM-1 concept as a suitable molecular approach and the potential of specific ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) conjugated to the VCAM-1 binding peptide over unspecific non-targeted USPIO particles for evaluation of atherosclerosis. This work firstly demonstrated that selection of VCAM-1 molecules offers a good and potential strategy for imaging of atherosclerosis, as these vascular cell adhesion molecules are highly expressed in the early phase of inflammation and also continuously up-regulated within the advanced plaques. Secondly, this thesis showed the proof of principle and capability of the newly designed USPIO contrast agent conjugated to the specific cyclic peptide for VCAM-1 recognition. The experimental studies including ultra-high field MRI enabled further ex vivo and in vivo detection of applied USPIO-VCAM-1 particles within the aortic root region of early and advanced atherosclerotic plaques of 12 and 30 week old apolipoprotein E deficient (ApoE-/-) mice. Using a combination of histology and electron microscopy, this study for the first time pointed to distribution of targeted USPIO-VCAM-1 particles within plaque cells expressing VCAM-1 not only in luminal regions but also in deeper medial smooth muscle cell areas. Hence functionalized USPIO particles targeting VCAM-1 molecules allow specific and sensitive detection of early and advanced plaques at the molecular level, giving the new possibilities for early recognition of atherosclerotic plaques before the appearance of advanced and prone to rupture lesions. In contrast to the functionalized USPIO-VCAM-1, utilized non-targeted USPIO particles did not succeed in early plaque 6 identification limiting visualization of atherosclerosis to advanced forms in atherosclerotic ApoE-/- mice.

In this thesis the influence of deposition conditions and post-deposition annealing on the structure of ultrathin iron oxide films grown on magnesium oxide (MgO) substrates is studied. The main experimental technique used is synchrotron based x-ray diffraction (XRD) but also x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and low energy electron diffractions (LEED) are used to characterize the samples. Studying the dependency of film structure and thickness the stoichiometry and structure is changing with increasing film thickness. For large film thickness bulk like magnetite (Fe3O4) can be observed. With decreasing thickness the oxide phase is shifting towards a wüstite (FeO) phase. When changing the deposition rate and substrate temperature a strong influence on the Fe3O4 film structure is observed. With both decreasing deposition rates and substrate temperatures the occupancy of the tetrahedral sites is strongly decreasing while the octahedral sites remain almost unaffected. By post-deposition annealing under low oxygen atmosphere it is possible to increase the ordering of the tetrahedral sites. However, this is accompanied by significant diffusion of magnesium into the iron oxide film. During post-deposition annealing of a gamma-Fe2O3 film under high vacuum a reduction of the iron oxide is observed. Increasing the temperature, first, a reduction from gamma-Fe2O3 to Fe3O4 is observed. After further increasing the temperature a reduction from Fe3O4 to FeO is observed.

The synthesis, characterization and biological evaluation of different graphene-based nanoparticles with potential biomedical applications are explored. The results presented within this work show that eukaryotic cells can respond differently not only to different types of nanoparticles, but also identify slight differences in the morphology of nanoparticles, such as size. This highlights the great importance of the synthesis and thorough characterization of nanoparticles in the design of effective nanoparticle platforms for biological applications. In order to test the influence of morphology of graphene-based nanoparticles on the cell response, nanoparticles with different sizes were synthesized and tested on different cells. The synthesis of spherical iron-oxide nanoparticles coated with graphene was accomplished using a colloidal chemistry route. This synthesis route was able to render nanoparticle samples with narrow size distributions, which can be taken as monodispersed. Four different samples varying in diameter from 10 to 20 nm were produced and the material was systematically characterized prior to the biological tests. The characterization of the material suggests that the iron oxide nanoparticles consist of a mix of both magnetite and maghemite phases and are coated with a thin graphitic layer. All samples presented functional groups and were similar in all aspects except in diameter. The results suggest that cells can respond differently even to small differences in the size of the nanoparticles. An in situ study of the coating of the iron-oxide nanoparticles using a transmission electron microscope revealed that it is possible to further graphitize the remaining oleic acid on the nanoparticles. The thickness of the graphitic coating was controlled by varying the amount of oleic acid on the nanoparticles. The in situ observations using an electron beam were reproduced by annealing the nanoparticles in a dynamic vacuum. This procedure showed that it is not only possible to coat large amounts of iron oxide nanoparticles with graphene using oleic acid, but also to improved their magnetic properties for other applications such as hyperthermia. This study therefore revealed a facile route to grow 2D graphene takes on substrates using oleic acid as a precursor. The synthesis of nanographene oxide nanoparticles of different sizes was in a second approach accomplished by using the Hummers method to oxidize and expand commercially available graphite. The size of the oxidized graphite was adjusted by sonicating the samples for different periods of time. The material was also thoroughly characterized and demonstrated to have two distinctive average size distributions and possess functional groups. The results suggest that different size flakes can trigger different cell response. The synthesis, characterization and biological evaluation of graphene nanoshells were performed. The graphene nanoshells were produced by using magnesia nanoparticles as a template to the graphene nanoshells. The coating of magnesia with graphene layers was accomplished using chemical vapor deposition. The nanoshells were obtained by removing the magnesia core. The size of the nanoshells was determined by the size of the magnesia nanoparticles and presented a broad size distribution since the diameter of the magnesia nanoparticles could not be controlled. The nanoshells were also characterized and the biological evaluation was performed in the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA), in Switzerland. The results suggest that despite inducing the production of reactive oxygen species on cells, the nanoshells did not impede cell proliferation. / Die Herstellung, Charakterisierung und biologische Auswertung von verschiedenen Graphen-basierten Nanopartikeln mit einer potenziellen biomedizinischen Anwendung wurden erforscht. Die vorgestellten Ergebnisse im Rahmen dieser Arbeit zeigen, dass eukaryotische Zellen unterschiedlich reagieren können, wenn sie mit Nanopartikeln unterschiedlicher Morphologie interagieren. Die Zellen können geringe Unterschiede in der Morphologie, insbesondere der Größe der Nanopartikeln, identifizieren. Dies unterstreicht den Einfluss der Herstellungsmethoden und die Notwendigkeit einer gründlichen Charakterisierung, um ein effektives Design von Nanopartikeln für biologische Anwendungen zu erreichen. Um den Einfluss der Größe von Graphen-basierten Nanopartikel auf das Zellverhalten zu erforschen, wurden verschiedene Graphen-beschichte Eisenoxid-Nanopartikelproben durch eine kolloidchemische Methode hergestellt. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht die Synthese von Nanopartikeln mit engen Größenverteilungen, die als monodispers gelten können. Vier Proben mit unterschiedlichen Durchmessern (von 10 bis 20 nm) wurden hergestellt und vor den biologischen Untersuchungen systematisch charakterisiert. Die Probencharakterisierung deutet auf eine Mischung aus Magnetit- und Maghemit-Kristallphasen hin, außerdem besitzen die Nanopartikel eine dünne Graphitschicht. Die spektroskopischen Ergebnisse auch zeigen außerdem, dass alle Proben funktionelle Gruppen auf ihrer Oberfläche besitzen, sodass sie in allen Aspekten, außer Morphologie (Durchmesser), ähnlich sind. Die biologischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass Zellen unterschiedliche Größen von Eisenoxid-Nanopartikeln reagieren können. Ein in situ Untersuchung der Beschichtung der Eisenoxid-Nanopartikel wurde mit einem Transmissionelektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine dünne Schicht von Ölsäure aus dem Syntheseprozess auf den Nanopartikeln verbleibt. Diese Schicht kann mit einem Elektronstrahl in Graphen umgewandelt werden. Die Dicke der Graphitschicht auf den Nanopartikeln kann durch die Menge der eingesetzten Ölsäure kontrolliert werden. Die in situ Beobachtungen der Graphenumwandlung konnte durch erhitzen der Nanopartikeln in einem dynamischen Vakuum reproduziert werden. Das Brennen der Eisenoxid-Nanopartikel ermöglicht nicht nur die Graphitisierung der Ölsäure, sondern auch eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel für weitere Anwendungen, z. B. der Hyperthermie. Die Umwandlung der Ölsäure in Graphen konnte so als relativ einfaches Verfahren der Beschichtung von zweidimensionalen (2D) Substraten etabliert werden. Die Herstellung von Nanographenoxid mit unterschiedlichen Größen wurde mit der Hummers-Method durchgeführt. Die unterschiedlichen Größen der Nanographenoxidpartikel wurde durch eine Behandlung in Ultraschallbad erreicht. Zwei Proben mit deutlicher Verteilung wurden mit mehreren Verfahren charakterisiert. Beide Proben haben Nanographenoxid Nanoteilchen mit verschiedenen funktionellen Gruppen. Die biologische Charakterisierung deutet darauf hin, dass unterschiedliche Größen des Nanographens ein unterschiedliches Zellverhalten auslösen. Abschließend, wurde die Herstellung, Charakterisierung und biologische Auswertung von Graphen-Nanoschalen durchgeführt. Die Graphen-Nanoschalen wurden mit Magnesiumoxid-Nanopartikeln als Template hergestellt. Die Beschichtung des Magnesia mit Graphen erforgte durch die chemische Gasphasenabscheidung. Die Nanoschalen wurden durch Entfernen des Magnesia-Kerns erhalten. Die Größe der Nanohüllen ist durch die Größe der Magnesia-Kerns bestimmt und zeigt eine breite Verteilung, da der Durchmesser der Magnesiumoxid-Nanopartikel gegeben war. Die Nanoschalen wurden ebenfalls mit Infrarot- und Röntgen Photoemissionspektroskopie charakterisiert und die biologische Bewertung wurde im Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) durchgeführt, in der Schweiz. Die Ergebnisse zeigen, dass zwar die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies in den Zellen ausgelöst wird, diese sich aber weiterhin vermehren können.

In der vorliegenden Arbeit wird das Prinzip der chemischen Oberflächenmodifikation als allgemeine Synthesestrategie beschrieben. Davon ausgehend werden verschiedene Ansätze der chemischen Funktionalisierung dargestellt, mit denen die Eigenschaften der erhaltenen Materialien eingestellt werden können. Im Fokus der Arbeit stehen Eisenoxid-Nanopartikel, die über die „Benzylalkohol-Route“ dargestellt werden. Es wird auf Basis dieser einfachen und vielseitig anwendbaren Funktionalisierung die Herstellung von neuartigen Hybridmaterialien gezeigt. Zur Funktionalisierung zweier magnetischer molekularer Rezeptoren wurde eine Synthesestrategie entwickelt, bei der organische Gruppen kovalent angebunden wurden. Der erste Rezeptor kann zur Erkennung von Biomarkern und den Metaboliten von Pharmazeutika eingesetzt werden. Die Beschichtung der Oberflächen der Eisenoxid-Nanopartikel gelang dabei durch die Verwendung von Organosilan-basierten Kopplungsreagenzien. Der zweite Rezeptor konnte zur Auftrennung eines racemischen Gemisches eines chiralen cavitand eingesetzt werden. Die Darstellung von Graphenoxid-Eisenoxid-Kompositen gelang erfolgreich durch ein ex-situ Verfahren. Es wurde der Einfluss der Oberflächenfunktionalitäten auf die Beladung und Verteilung der Eisenoxid-Nanopartikel untersucht. Dazu wurden via Diazoniumchemie verschiedene Funktionalitäten auf der Graphenoxid-Oberfläche eingeführt. Die Entwicklung einer wasserfreien one-pot Synthese von Gold-Eisenoxid-hetero-Nanostrukturen beschrieben wurde. Insbesondere wurden die Auswirkungen kleiner organischer Moleküle auf die Bildung der Heterostrukturen untersucht. / This thesis describes diverse approaches of chemical functionalization as a general strategy to tailor material properties depending on the target application. Particular attention was dedicated to the surface chemistry of iron oxide nanoparticles. Crystalline 10 nm-sized magnetite nanoparticles synthesized through the “benzyl alcohol route” exhibit superparamagnetic behaviour. For this reason they are regarded as suitable solid supports for the fabrication of recoverable devices, which is a fundamental requirement for several of the reported studies. Here it is demonstrated, via the fabrication of novel hybrid materials, that the ease of functionalization of iron oxide nanoparticles renders this material a versatile platform for the development of diverse surface chemistries. A covalent organic functionalization strategy was developed for the synthesis of two recoverable magnetic molecular receptors. The first targeted the recognition of drugs metabolites and biomarkers. It is based on the use of organosilanes coupling agents. A second approach aimed to the heterogeneous resolution of a racemic mixture of an inherently chiral cavitand. Graphene oxide-iron oxide composites were successfully fabricated through an ex-situ approach based on non-covalent interactions between the component phases. The effects of surface functionalities on the loading and distribution of iron oxide nanoparticles were studied by introducing selected functionalities at the graphene oxide surface through diazonium chemistry. Finally, the development of a non-aqueous one-pot synthesis route to gold-iron oxide hetero-nanostructures was described. Particular emphasis was dedicated to study the influence of small organic molecules in promoting the formation of the heterostructures.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

There is a demand for new straightforward approaches for stabilization and solubilization of various nanoparticulate materials in their colloidal form, that pave way for fabrication of materials possessing compatibility with wide range of dispersing media. Therefore in this thesis a new general method to form stable nanocrystals in water and organics using amphiphilic polymers generated through simple and low cost techniques is presented and discussed. Amphiphilic coating agents are formed using thiolated or carboxylated polyethylene glycol methyl ether (mPEG-SH) as a starting material. These materials are available with a wide variety of chain lengths. The method of obtaining of amphiphilic NPs is quite general and applicable for semiconductor CdTe nanocrystals as well as nanoscale noble metal (Au) and magnetic (Fe3O4) particles. This approach is based on anchoring PEG segment to the surface of a nanoparticle to form an amphiphilic palisade. Anchoring is realized via interaction of –SH (for CdTe and Au) or –COOH (in the case of magnetite) functional groups with particle’s surface. The resulting amphiphilicity of the nanocrystals is an inherent property of their surface and it is preserved also after careful washing out of solution of any excess of the ligand. The nanocrystals reversibly transfer between different phases spontaneously, i.e. without any adjustment of ionic strength, pH or composition of the phases. Such reversible and spontaneous phase transfer of nanocrystals between solvents of different chemical nature has a great potential for many applications as it constitutes a large degree of control of nanocrystals compatibility with technological processes or with bio-environments such as water, various buffers and cell media as well as their assembly and self-assembly capabilities.

The synthesis, characterization and biological evaluation of different graphene-based nanoparticles with potential biomedical applications are explored. The results presented within this work show that eukaryotic cells can respond differently not only to different types of nanoparticles, but also identify slight differences in the morphology of nanoparticles, such as size. This highlights the great importance of the synthesis and thorough characterization of nanoparticles in the design of effective nanoparticle platforms for biological applications. In order to test the influence of morphology of graphene-based nanoparticles on the cell response, nanoparticles with different sizes were synthesized and tested on different cells. The synthesis of spherical iron-oxide nanoparticles coated with graphene was accomplished using a colloidal chemistry route. This synthesis route was able to render nanoparticle samples with narrow size distributions, which can be taken as monodispersed. Four different samples varying in diameter from 10 to 20 nm were produced and the material was systematically characterized prior to the biological tests. The characterization of the material suggests that the iron oxide nanoparticles consist of a mix of both magnetite and maghemite phases and are coated with a thin graphitic layer. All samples presented functional groups and were similar in all aspects except in diameter. The results suggest that cells can respond differently even to small differences in the size of the nanoparticles. An in situ study of the coating of the iron-oxide nanoparticles using a transmission electron microscope revealed that it is possible to further graphitize the remaining oleic acid on the nanoparticles. The thickness of the graphitic coating was controlled by varying the amount of oleic acid on the nanoparticles. The in situ observations using an electron beam were reproduced by annealing the nanoparticles in a dynamic vacuum. This procedure showed that it is not only possible to coat large amounts of iron oxide nanoparticles with graphene using oleic acid, but also to improved their magnetic properties for other applications such as hyperthermia. This study therefore revealed a facile route to grow 2D graphene takes on substrates using oleic acid as a precursor. The synthesis of nanographene oxide nanoparticles of different sizes was in a second approach accomplished by using the Hummers method to oxidize and expand commercially available graphite. The size of the oxidized graphite was adjusted by sonicating the samples for different periods of time. The material was also thoroughly characterized and demonstrated to have two distinctive average size distributions and possess functional groups. The results suggest that different size flakes can trigger different cell response. The synthesis, characterization and biological evaluation of graphene nanoshells were performed. The graphene nanoshells were produced by using magnesia nanoparticles as a template to the graphene nanoshells. The coating of magnesia with graphene layers was accomplished using chemical vapor deposition. The nanoshells were obtained by removing the magnesia core. The size of the nanoshells was determined by the size of the magnesia nanoparticles and presented a broad size distribution since the diameter of the magnesia nanoparticles could not be controlled. The nanoshells were also characterized and the biological evaluation was performed in the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA), in Switzerland. The results suggest that despite inducing the production of reactive oxygen species on cells, the nanoshells did not impede cell proliferation. / Die Herstellung, Charakterisierung und biologische Auswertung von verschiedenen Graphen-basierten Nanopartikeln mit einer potenziellen biomedizinischen Anwendung wurden erforscht. Die vorgestellten Ergebnisse im Rahmen dieser Arbeit zeigen, dass eukaryotische Zellen unterschiedlich reagieren können, wenn sie mit Nanopartikeln unterschiedlicher Morphologie interagieren. Die Zellen können geringe Unterschiede in der Morphologie, insbesondere der Größe der Nanopartikeln, identifizieren. Dies unterstreicht den Einfluss der Herstellungsmethoden und die Notwendigkeit einer gründlichen Charakterisierung, um ein effektives Design von Nanopartikeln für biologische Anwendungen zu erreichen. Um den Einfluss der Größe von Graphen-basierten Nanopartikel auf das Zellverhalten zu erforschen, wurden verschiedene Graphen-beschichte Eisenoxid-Nanopartikelproben durch eine kolloidchemische Methode hergestellt. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht die Synthese von Nanopartikeln mit engen Größenverteilungen, die als monodispers gelten können. Vier Proben mit unterschiedlichen Durchmessern (von 10 bis 20 nm) wurden hergestellt und vor den biologischen Untersuchungen systematisch charakterisiert. Die Probencharakterisierung deutet auf eine Mischung aus Magnetit- und Maghemit-Kristallphasen hin, außerdem besitzen die Nanopartikel eine dünne Graphitschicht. Die spektroskopischen Ergebnisse auch zeigen außerdem, dass alle Proben funktionelle Gruppen auf ihrer Oberfläche besitzen, sodass sie in allen Aspekten, außer Morphologie (Durchmesser), ähnlich sind. Die biologischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass Zellen unterschiedliche Größen von Eisenoxid-Nanopartikeln reagieren können. Ein in situ Untersuchung der Beschichtung der Eisenoxid-Nanopartikel wurde mit einem Transmissionelektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine dünne Schicht von Ölsäure aus dem Syntheseprozess auf den Nanopartikeln verbleibt. Diese Schicht kann mit einem Elektronstrahl in Graphen umgewandelt werden. Die Dicke der Graphitschicht auf den Nanopartikeln kann durch die Menge der eingesetzten Ölsäure kontrolliert werden. Die in situ Beobachtungen der Graphenumwandlung konnte durch erhitzen der Nanopartikeln in einem dynamischen Vakuum reproduziert werden. Das Brennen der Eisenoxid-Nanopartikel ermöglicht nicht nur die Graphitisierung der Ölsäure, sondern auch eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel für weitere Anwendungen, z. B. der Hyperthermie. Die Umwandlung der Ölsäure in Graphen konnte so als relativ einfaches Verfahren der Beschichtung von zweidimensionalen (2D) Substraten etabliert werden. Die Herstellung von Nanographenoxid mit unterschiedlichen Größen wurde mit der Hummers-Method durchgeführt. Die unterschiedlichen Größen der Nanographenoxidpartikel wurde durch eine Behandlung in Ultraschallbad erreicht. Zwei Proben mit deutlicher Verteilung wurden mit mehreren Verfahren charakterisiert. Beide Proben haben Nanographenoxid Nanoteilchen mit verschiedenen funktionellen Gruppen. Die biologische Charakterisierung deutet darauf hin, dass unterschiedliche Größen des Nanographens ein unterschiedliches Zellverhalten auslösen. Abschließend, wurde die Herstellung, Charakterisierung und biologische Auswertung von Graphen-Nanoschalen durchgeführt. Die Graphen-Nanoschalen wurden mit Magnesiumoxid-Nanopartikeln als Template hergestellt. Die Beschichtung des Magnesia mit Graphen erforgte durch die chemische Gasphasenabscheidung. Die Nanoschalen wurden durch Entfernen des Magnesia-Kerns erhalten. Die Größe der Nanohüllen ist durch die Größe der Magnesia-Kerns bestimmt und zeigt eine breite Verteilung, da der Durchmesser der Magnesiumoxid-Nanopartikel gegeben war. Die Nanoschalen wurden ebenfalls mit Infrarot- und Röntgen Photoemissionspektroskopie charakterisiert und die biologische Bewertung wurde im Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) durchgeführt, in der Schweiz. Die Ergebnisse zeigen, dass zwar die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies in den Zellen ausgelöst wird, diese sich aber weiterhin vermehren können.

There is a demand for new straightforward approaches for stabilization and solubilization of various nanoparticulate materials in their colloidal form, that pave way for fabrication of materials possessing compatibility with wide range of dispersing media. Therefore in this thesis a new general method to form stable nanocrystals in water and organics using amphiphilic polymers generated through simple and low cost techniques is presented and discussed. Amphiphilic coating agents are formed using thiolated or carboxylated polyethylene glycol methyl ether (mPEG-SH) as a starting material. These materials are available with a wide variety of chain lengths. The method of obtaining of amphiphilic NPs is quite general and applicable for semiconductor CdTe nanocrystals as well as nanoscale noble metal (Au) and magnetic (Fe3O4) particles. This approach is based on anchoring PEG segment to the surface of a nanoparticle to form an amphiphilic palisade. Anchoring is realized via interaction of –SH (for CdTe and Au) or –COOH (in the case of magnetite) functional groups with particle’s surface. The resulting amphiphilicity of the nanocrystals is an inherent property of their surface and it is preserved also after careful washing out of solution of any excess of the ligand. The nanocrystals reversibly transfer between different phases spontaneously, i.e. without any adjustment of ionic strength, pH or composition of the phases. Such reversible and spontaneous phase transfer of nanocrystals between solvents of different chemical nature has a great potential for many applications as it constitutes a large degree of control of nanocrystals compatibility with technological processes or with bio-environments such as water, various buffers and cell media as well as their assembly and self-assembly capabilities.

Die vorliegende Habilitationsschrift bespricht aktuelle Ergebnisse zur Struktur und Reaktivität von Übergangsmetalloxidoberflächen. Es werden eingangs Grundlagen zur Berechnung von Eigenschaften von Oberflächen mittels Dichtefunktionaltheorie vorgestellt. Des Weiteren werden anhand von drei untersuchten Oxiden, nämlich dem Vanadium(III)-oxid, dem Cer(IV)-oxid, und dem Eisen(II,III)-oxid, der aktuelle Forschungsstand im Hinblick auf Oberflächenstruktur und Reaktivität von Phasengrenzen, wie z.B. der Phasengrenze zwischen Vanadium(V)-oxid und Cer(IV)-oxid und der Phasengrenze zwischen Wasser und Eisen(II,III)-oxid dargelegt. / The present habilitation thesis discusses results on structure and reactivity of transition metal oxide surfaces obtained using state-of-the-art density functional theory methods. First, fundamental issues of density functional theory are presented. Furthermore, the current state in research with respect to surface structure on one hand and reactivities of interfaces between different oxides like vanadium(III) and cerium(IV) oxide or water and iron(II,III) oxide on the other hand are developed.