京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23457号 / 理博第4751号 / 新制||理||1681(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)准教授 前里 光彦, 教授 北川 宏, 教授 竹腰 清乃理 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

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Liquid spray is essential to industries requiring processes such as spray coating, spray drying, spray pyrolysis, or spray cooling. This thesis reports the design, fabrication, and characterization of a thin film deposition system which utilizes a linear multiplexed electrospray (LINES) atomizer. First, a thorough review of the advantages and limitations of prior multiplexed electrospray systems leads to discussion of the design rationale for this work. Next, the line of charge model was extended to prescribe the operating conditions for the experiments and to estimate the spray profile. The spray profile was then simulated using a Lagrangian model and solved using a desktop supercomputer based on Graphics Processing Units (GPUs). The simulation was extended to estimate the droplet number density flux during deposition. Pure ethanol was electrosprayed in the cone-jet mode from a 51-nozzle aluminum LINES atomizer with less than 3% relative standard deviation in the D10 average droplet diameter as characterized using Phase Doppler Interferometry (PDI). Finally a 25-nozzle LINES was integrated into a thin film deposition system with a heated, motion controlled stage, to deposit TiO2 thin films onto silicon wafers from an ethanol based nanoparticle suspension. The resulting deposition pattern was analyzed using SEM, optical profilometry, and macro photography and compared with the numerical simulation results. The LINES tool developed here is a step forward to enabling the power of electrospray for industrial manufacturing applications in clean energy, health care, and electronics

The self-assembly of isotropic and anisotropic colloidal particles into higher-ordered structures has been of great interest recently due to the promise of creating metamaterials with novel macroscopic properties. The physicochemical properties of these metamaterials can be tailored to achieve composites with tunable functionalities. The formation of these metamaterials can be used as a pathway to emulating advanced biological systems. In particular, synthetically mimicking the surface of a moth’s eye, which consists of arrays of ellipsoidal protuberances, can be used as a strategy for fabricating antireflective coatings. To enable this technology, it is necessary to design a synthesis scheme that produces micron-sized composite particles with tunable refractive index. In the future, the resulting composite microparticles can then undergo geometric and spatial modifications to form self-assemblies that have unique macroscopic material properties. This research work delineates a strategy of developing microparticles with a hybrid configuration that constitutes an inorganic and an organic part. The inorganic part comprises ~30 nm diameter titania (TiO2) nanoparticles, which are embedded within an organic polymer particle comprised of diethyl methylene malonate polymer [p(DEMM)]. Anionic polymerization is modified to controllably incorporate TiO2 nanoparticles into the polymer matrix. A design of experiments was identified and carried out to identify the major process variables that influence the final particle size. In particular, since DEMM polymerization may be initiated entirely by the presence of hydroxyl anions, pH was found to control the final overall particle diameter between 300 nm and 1 micrometer. The overall inorganic particle loading can be readily modified and is confirmed by thermogravimetric analysis, allowing for the desired macroscopic refractive index to be controlled. Light scattering, scanning electron microscopy and zeta potential analysis reveals that the colloidal stability of the hybrid microparticles is dependent on the ligand coating the inorganic constituent. In addition, this synthetic scheme is applied to different inorganic constituents that have interesting functionalities, such as fluorescent CdTe quantum dots, in order to show the methods versatility method to produce composite particles for a wide spectrum of applications. These initial investigations provide a the synthetic groundwork to evaluating the coating properties of the microparticles and their self-assembly into novel materials in the future.

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Nanopartikel (NP) werden insbesondere bei Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen in nanotechnologischen Betrieben in die Umgebungsluft freigesetzt und vornehmlich via Inhalation in den menschlichen Organismus aufgenommen. Aufgrund ihrer Größe und veränderter physikochemischer Eigenschaften stellen NP ein bisher nicht genügend einschätzbares Gesundheitsrisiko dar. Daher steht die Interaktion aspirierter NP mit dem Lungengewebe im Fokus nanotoxikologischer Untersuchungen. Die Effekte aerogener NP wurden sowohl in vivo mittels Inhalation und Instillation als auch in vitro in Zellkultursystemen eingehend untersucht. Als Hauptmechanismus der toxischen Effekte wird dabei die NP-induzierte Bildung reaktiver Sauerstoffagenzien postuliert. Der resultierende oxidative Stress ist in der Lage, zelluläre Bestandteile wie Membrane, Proteine, DNA und Organellen zu schädigen und infolgedessen Entzündungsprozesse und Zelltod auszulösen. Diesbezüglich erfordern die Fortschritte der Nanotechnologie, die mit einem zunehmenden Umgang des Menschen mit NP einhergehen, eine entsprechende Risikobewertung. Aufgrund von fehlender Standardisierung sowie von Unterschieden in der Dosimetrie und den Messverfahren konnten die Wirkmechanismen der NP bislang nicht vollständig aufgeklärt werden. Zudem stehen die Ergebnisse von Hochdosis-Akutstudien wegen der unrealistischen Belastung in der Kritik. Aus diesem Grund war ein Ziel der vorliegenden Arbeit, eine realitätsnahe Bewertung des Risikopotenzials der PSLT-NP TiO2 und BaSO4 nach Langzeitexposition zu geringen Dosen in vitro zu ermitteln. Als weiteres Ziel soll das dazu etablierte Modell die Aussagekraft von In vitro-Studien erhöhen, um eine einfache und reproduzierbare Prognose von adversen biologischen Effekten in vivo zu erreichen und somit Tierversuche zu reduzieren. Das Modell wurde auf Basis von In vivo-Langzeitstudien mit niedriger Dosis auf höchstem europäischen Standard etabliert und soll die chronische Exposition von Angestellten gegenüber aerogener NP in nanotechnologischen Betrieben nachbilden. Die Exposition erfolgte in einem ein- bis dreimonatigen Untersuchungszeitraum jeweils sechs Stunden täglich über fünf Tage die Woche. Die gemäß standardisiertem Dispersionsprotokoll gelösten NP wurden dabei in humanen Typ II-Alveolarepithelzellen (A549) auf die biologischen Endpunkte Viabilität und Zelltod, ROS-Generierung sowie Beeinträchtigung des mitochondrialen Membranpotenzials untersucht. Ebenfalls wurde ein Einfluss der NP auf die Zellproliferation und den Zellzyklus analysiert. Der Schwerpunkt wurde dabei auf die Beobachtung der subakuten und subchronischen Effekte beider PSLT-NP gelegt. Neben den toxischen Effekten standen insbesondere die noninvasive markierungsfreie Betrachtung und Quantifizierung der zellulären Aufnahme sowie der intrazellulären NP-Verteilung auf Einzelzellebene anhand der konfokalen Raman-Mikroskopie im Mittelpunkt der Arbeit. Denn die daraus ermittelten Informationen stellen mit der relativen Dosis sowie der Beeinträchtigung der Zellorganellen einen essenziellen Faktor für die Risikobewertung dar. Auf Basis der Quantifizierung der NP konnte erstmals eine starke Reduktion des Gehalts an intrazellulären NP in A549-Zellen nach subakuter und subchronischer Exposition festgestellt werden. Insbesondere bei dem Gehalt intrazellulärer BaSO4-NP wurde trotz konstanter Exposition ein starker Rückgang verzeichnet, sodass nach subchronischer Exposition lediglich in der höchsten Konzentration vereinzelte BaSO4-Aggregate detektiert werden konnten. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann eine Aufnahmeresistenz der beiden NP in vitro vermutet werden. Diese stimmt zudem mit dem ermittelten geringen zytotoxischen Potenzial der NP überein. Eine Pixelanalyse zeigt im Vergleich, besonders nach subakuter/subchronischer Exposition, eine mehrfach größere Menge an TiO2-NP als an BaSO4-NP innerhalb der Zellen. Demnach beeinflusst die postulierte Resistenz die Aufnahmefähigkeit von BaSO4-NP mehr als von TiO2-NP. Trotz des festgestellten geringen toxischen Potenzials beider NP auf Lungenepithelzellen nach Langzeitexposition zu realitätsnahen geringen Dosen sind die Auswirkungen der NP-Resistenz in vivo zu klären. Denn neben einem verstärkten Abtransport ohne Lungenschädigung ist weiterhin eine Translokation in extrapulmonale Gewebe mit unbekannten Auswirkungen möglich. Zudem zeigt die Kolokalisation der NP mit intrazellulären Organellen eine Präferenz der TiO2-NP für die Mitochondrien sowie der BaSO4-NP für das endoplasmatische Retikulum. Dabei kolokalisieren beide NP nach subakutem/subchronischem Expositionszeitraum verstärkt mit dem ER. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen eine starke Korrelation mit den Beobachtungen der Langzeitinhalationsstudien in vivo. Denn die präferierte Kolokalisation der TiO2-NP mit den Mitochondrien als Quelle der ROS stimmt mit der Induktion von ROS als Ursache toxischer Effekte in vivo überein. Ebenfalls gehen die in vivo beobachtete rasche initiale Lungenclearance sowie die Translokation von inhalierten BaSO4-NP in das Knochengewebe konform mit der ermittelten Resistenzentwicklung und der präferierten Kolokalisation mit dem ER, da dieses sowie das Knochengewebe stehen Calciumspeicher in Verbindung stehen. Demnach konnte mithilfe des in der vorliegenden Arbeit etablierten Modells und markierungsfreier CRM-Verfahren in vitro eine Prognose von adversen Effekten in vivo erreicht werden. Zusammenfassend zeigen die beiden PSLT-NP TiO2 und BaSO4 nach realistischer Langzeitexposition gegenüber geringen Mengen ein geringes toxisches Potenzial für A549-Zellen. Die erstmals beobachtete Entwicklung einer NP-Resistenz mit daraus folgender geringer effektiver Dosis kann eine Ursache dafür darstellen. Mithilfe des etablierten In vitro-Modells nach EU-Standard sowie der markierungsfreien CRM ist es zudem gelungen, eine einfache und validierte Möglichkeit zur Risikopotenzialeinschätzung zu schaffen und so dazu beizutragen, die Aussagekraft von In vitro-Studien zu erhöhen sowie aufwendige Tierstudien einzusparen.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis IV Abkürzungsverzeichnis VI 1 Einleitung 1 1.1 Nanopartikel und deren Anwendungsbereiche 2 1.2 Berufsbedingte NP-Exposition 4 1.3 Aufnahmewege der Nanomaterialien 6 1.3.1 Die Lunge als Haupteintrittspforte 7 1.3.2 Zelluläre Aufnahmemechanismen 10 1.4 Toxisches Potenzial der NP 12 1.4.1 Oxidativer Stress 12 1.4.2 Einfluss auf die Zellvitalität 14 1.4.3 Auswirkung auf den Zellzyklus 17 1.4.4 Induktion einer Entzündungsreaktion 19 1.5 Biologische Antwort auf TiO2 und BaSO4 als poorly soluble, low toxicity (PSLT) NP in vivo und in vitro 20 1.5.1 TiO2-NP 21 1.5.2 BaSO4-NP 25 2 Zielsetzung der Arbeit 30 3 Materialien und Methoden 32 3.1 Geräte 32 3.2 Materialien 32 3.2.1 Nanopartikel 32 3.2.2 Chemikalien 32 3.2.3 Verbrauchsmaterialien 33 3.3 Software 33 3.4 Methoden 33 3.4.1 Präparation der Nanopartikel 33 3.4.2 Zellbiologische Methoden 34 3.4.3 Biophysikalische Methoden 37 3.4.4 Zytotoxizität-Assays 49 3.4.5 Statistische Auswertung 53 4 Ergebnisse 54 4.1 Charakterisierung der TiO2- und BaSO4-NP 54 4.2 Zytotoxische Effekte der NP auf A549-Zellen 59 4.2.1 Determination von Apoptose und Nekrose 59 4.2.2 Induktion von ROS in NP-exponierten A549-Zellen 61 4.2.3 MMP als Marker der Apoptose 62 4.2.4 Zellzyklus und Zellproliferation unter Einfluss der NP 63 4.3 Aufnahme und Verteilung der NP in alveolaren Epithelzellen 68 4.3.1 Chemisch selektive Bildgebung der A549-Zellen 68 4.3.2 Semiquantifizierung der NP-Aufnahme in A549-Zellen 70 4.3.3 Aggregatsbildung innerhalb der Einzelzelle 80 4.3.4 Intrazelluläre Lokalisation der NP 83 5 Diskussion 89 5.1 Extra- und intrazelluläre NP-Charakterisierung 91 5.2 Evaluation zytotoxischer Auswirkungen von TiO2- und BaSO4-NP unter subchronischen In vitro-Expositionsszenarien 97 5.3 Aufnahme und Verteilung der NP in A549-Zellen 102 5.3.1 Aufnahme der TiO2- und BaSO4-NP 102 5.3.2 Kolokalisation der NP mit den verschiedenen Zellorganellen 108 5.4 Abschätzung des Risikopotenzials 112 6 Zusammenfassung der Arbeit 115 7 Literaturverzeichnis 118 8 Anhang 159 8.1 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 159 8.2 Lebenslauf 160 8.3 Danksagung 161