Colloidosome: Nanopartikel-assemblierte Mikrokapseln mit selektiver Permeabilität

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Michael Maas
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230456922

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Colloidosome sind eine sich rasch entwickelnde neue Klasse von Nanokapseln, die großes Potential für biomedizinische Anwendungen, z.B. für den Wirkstofftransport, aufweisen. Sie sind definiert als Vesikel bzw. Mikrokapseln mit einer Hülle aus kolloidalen Partikeln. Colloidosome können aus einer großen Auswahl unterschiedlicher Partikel hergestellt werden, wodurch die Integration mehrerer funktionaler Eigenschaften in die Kapselhülle deutlich vereinfacht wird. Der Fokus des Colloidosomprojekts liegt zum einen auf der Herstellung von multifunktionalen Kapseln im Submikrometerbereich und zum anderen auf der Untersuchung der Dünnfilme, welche die Colloidosomhüllen bilden. Über die Bildung und die Stabilität von Multikomponentendünnfilmen an fluiden Grenzflächen war bis jetzt nur sehr wenig bekannt. In der ersten Förderphase konnte erstmals eine deutliche Verringerung der Durchmesser der Colloidosome auf wenige 100 nm mittels der Pickering-Emulsionsroute erreicht werden, ohne dass aufwändige Stabilisierungsmethoden nötig waren. Weiterhin wurden nicht biokompatible Substanzen und Prozesse vermieden, was das Potential der submikron Colloidosome für biomedizinische Anwendungen entscheidend erhöht. Die Synthesestrategie wurde mit verschiedenen Arten von Nanopartikeln verfolgt, darunter Silica, Alumina, Eisenoxid und Nanodiamanten, wodurch die Variabilität des Ansatzes belegt werden konnte. Die Multifunktionalität von Colloidosomen wurde durch die Synthese von kolloidalen Kapseln aus der Kombination von zwei verschiedenen Nanopartikel-Bausteinen, konkret Eisenoxid und flroureszente Silicapartikel, demonstriert. In der zweiten Förderphase wurden zwei Teilprojekte bearbeitet, die sich aus neuen Erkenntnissen der ersten Förderphase ergeben haben. Zum einen wurden kolloidale Kapseln auf der Basis von Chitosantemplaten hergestellt, in die Nanodiamanten eingelagert wurden, und welche eine Hülle aus ultrakleinen, fluoreszierenden Silicapartikeln aufwiesen. Zum anderen wurden zwitterionische Suprapartikel mittels elektrostatischer Agglomeration hergestellt, welche auf ihre Fähigkeit als verzahnende Bausteine für Colloidosomhüllen untersucht wurden. Weiterhin wurde ein Review- Artikel verfasst, welcher die im Rahmen dieses Projekts publizierten Arbeiten in den Kontext verwandter Arbeiten stellt und diese Arbeiten zusammenfügt. Das wichtigste Ziel der zweiten Förderphase war die präzise Untersuchung der Dünnfilmbildung mittels Tensiometrie und Grenzflächenrheologie. Hierfür mussten zunächst theoretische Grundlagen etabliert werden, die ermöglichen, die Messergebnisse auszuwerten. Anhand von Messungen der dynamischen Grenzflächenspannung mittels Pendant Drop konnte hier die kompetitive Adsorption von Nanopartikeln und Lipiden an der Öl/Wasser Grenzfläche aufgezeigt werden. Dieser Teilaspekt des Projekts wird zurzeit in der Advanced Ceramics Gruppe weitergeführt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Synthesis Route for the Self-Assembly of Submicrometer-Sized Colloidosomes with Tailorable Nanopores, Chemistry of Materials 2013, 25, 3464−3471
  Bollhorst, T.; Grieb, T.; Rosenauer, A.; Fuller, G.; Maas, M.; Rezwan, K.
  
• Diamandosomes: Submicron Colloidosomes with Nanodiamond Shells, Part. Part. Syst. Charact. 2014, 31, 1067–1071
  Maas, M.; Bollhorst, T.; Zare R.N.; Rezwan, K.
  
• Bifunctional Submicron Colloidosomes Coassembled from Fluorescent and Superparamagnetic Nanoparticles, Ang. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 118-123
  Bollhorst, T.; Shahabi, S.; Wörz, K.; Petters, C.; Dringen, R.; Maas, M.; Rezwan, K.
  
• Chitosan Supraparticles with Fluorescent Silica Nanoparticle Shells and Nanodiamond-Loaded Cores. Journal of Materials Chemistry B 2017, 5, 1664–1672
  Bollhorst, T., Jakob, S.; Köser, J., Maas, M., Rezwan, K.
  
• Colloidal Capsules: Nano- and Microcapsules with Colloidal Particle Shells (REVIEW), Chemical Society Reviews 2017, 46, 2091-2126
  Bollhorst, T., Rezwan, K., Maas, M.
  
• Electrostatic Assembly of Zwitterionic and Amphiphilic Supraparticles. Journal of Colloid and Interface Science 2017, 501, 256–266
  Maas, M., Silvério, C. C., Laube, J., Rezwan, K.