Beschichtungsformen von Nanomaterialien

Wenn von Oberflächenbeschichtungen für Nanomaterialien die Rede ist, fallen auch Begriffe wie Modifizierung, Coating, Funktionalisierung oder Stabilisierung. Diese Vielfalt spiegelt die unterschiedlichen Motivationen für eine Beschichtung bzw. ihre Funktion wider.

Generell werden Oberflächenbeschichtungen für Nanomaterialien eingesetzt, um gezielt bestimmte Partikeleigenschaften zu verändern bzw. zu beeinflussen. Dazu werden verschiedenste Materialien in vollständigen oder unvollständigen, einer oder auch mehreren Schichten (Partikel-Hülle) auf die Partikeloberfläche eines Kerns aufgebracht. In der Folge bestimmt dann hauptsächlich die äußere Partikel-Hülle über die Eigenschaften und weniger der Kern.

Bei nanoskaligen Objekten, insbesondere wenn sie kleiner als 10 nm sind, führt das vergleichsweise große Verhältnis von Oberflächen zu Volumen (auf die Gesamtoberfläche des Systems bezogen) zu veränderten Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu größeren Partikeln (verdeutlicht in der folgenden Abbildung). Diese neuen Eigenschaften sind von ausschlaggebender Bedeutung für das Verhalten der Partikel bei der Herstellung, Verarbeitung und Anwendung, sowie auch im Hinblick auf Wechselwirkungen mit der Umwelt und dem Menschen.

Die Partikeloberfläche beeinflusst einerseits das physikalisch-chemische Verhalten (unter anderem Reaktivität und Löslichkeit) oder biologische Eigenschaften wie beispielsweise die Verträglichkeit mit Geweben (in medizinischen Anwendungen). Andererseits werden durch die Oberfläche die Wechselwirkungen zwischen Partikeln und anderen Molekülen (z.B. Proteine) bzw. Oberflächen aller Art bestimmt. Als Beschichtungen eingesetzt werden können Moleküle (einzeln und auch in Gruppen), Polymere sowie anorganische bzw. metallische Schichten. Durch die große Vielfalt der Oberflächenbeschichtungen lassen sich die Nanoobjekteigenschaften gezielt auf eine bestimmte Anwendung maßschneidern.

Die folgende Tabelle zeigt eine schematische Gruppierung der möglichen Beschichtungsarten und deren Funktion bzw. Nutzen.

Funktion der Beschichtung	Beschichtungs-material	Bemerkungen	Schematische Darstellung
(unbeschichtet)	—-
Erhöhung der Stabilität in Lösungen	Moleküle, Polymere (10 – 100 kDa), geladene Polymere (Elektrolyte, Surfactants)	Einlagige Schichten, meistens schon in der Produktion oder während der Verarbeitung angewendet
Verbesserung der Benetzbarkeit	Moleküle, Polymere, anorganische Schichten	Zur Erleichterung der Herstellung von Mischungen aus Nanomaterialien mit Wasser (hydrophil) oder organischen Lösungsmittel und Polymere (hydrophobe Oberfläche)
Verringerte Löslichkeit des Kerns (z.B. bei Silber (Ag) oder Zinkoxid (ZnO)	Anorganische Schichten, meistens Siliziumdioxid (SiO2)	Kleine Partikel haben eine erhöhte Löslichkeit. Die Schicht soll die chemischen Eigenschaften erhalten und die Auflösung verhindern
Verbesserung der physikalischen und chemischen Funktion, Steigerung der Effizienz	Anorganische Schichten, meistens Siliziumdioxid oder Zinkoxid in Verbindung mit SiO2	Starke Erhöhung der Fluoreszenz von Quantenpunkte (QD), wenn die freien Oberflächenbindungen abgesättigt sind
Kosten- und Materialeinsparung	Edelmetalle, z.B. Palladium	Aufbringen von dünnen, nicht voll- ständigen Schichten eines Edelmetalls als Katalysator auf ein günstiges Trägermaterial (Kern)
Schutzfunktion	Organische Schichten	Schutz der Funktionalität des Partikels, z.B. Schutz vor Kata- lysatorgiften
Biokompatibilität und Funktionalität	Biokompatible Polymere und anorganische Schichten, Antikörper und Peptide	Polyethylenglykol (PEG) erniedrigt die Proteinadsorption oder SiO2 welches biokompatibel ist, Diagnose und Transport von Medikamenten

Die neuen Oberflächeneigenschaften beeinflussen auch mögliche schädliche Wirkungen oder das Umweltverhalten. Für einige Arten von Beschichtungen wurden bereits schädliche Effekte berichtet ^[1,2]. Daher muss bei einer Untersuchung von Nanomaterialien auch immer eine Bewertung der Beschichtung erfolgen.

Beschichtungen in der Herstellung und Verarbeitung

Ein Großteil der Nanoobjekte wird während der Produktion, der Verarbeitung oder im Produkt selbst in der Form einer Suspension, d.h. in einem wässrigen Medium eingesetzt. Damit diese Suspension stabil bleibt und die Partikel nicht absinken (sedimentieren) oder agglomerieren können, werden Moleküle oder Polymere an die Partikel-Oberfläche gebunden.

Für Gold-Nanopartikel wird häufig Zitronensäure verwendet, während für Titandioxid Polymere gut geeignet sind. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Benetzbarkeit von Nanoobjekten mit Wasser oder mit einem organischen Lösungsmittel. Diese Eigenschaft kann spezifisch über bestimmte Beschichtungen eingestellt werden. Durch das Anbringen von sogenannten Funktionellen Gruppen auf die Beschichtungen kann die Wechselwirkung mit den Lösungsmitteln in kontrollierter Weise beeinflusst und an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden.

Beschichtungen für die Verbesserung von Nanoeffekten

Die zweite wichtige Gruppe der Beschichtungen wurde zur Verbesserung oder Verstärkung der Nanoeffekte entwickelt. Insbesondere Quantenpunkte (QD), deren Kern sich aus Cadmiumselenid (CdSe) zusammensetzt, bedürfen einer Beschichtung. Erstens sind CdSe-Quantenpunkte nicht stabil, sodass sie sich auflösen und zweitens besitzen QD Oberflächendefekte, welche die Fluoreszenz verringern. Daher müssen Beschichtungen für Quantenpunkte bestimmte chemische und physikalische Eigenschaften erfüllen, so müssen sie z.B. durchsichtig sein, um die Fluoreszenz nicht zu beeinflussen und die gewünschte dauerhafte Stabilität zu gewährleisten.

Beschichtungen von Nanoobjekten in der Medizin

Die kompliziertesten Beschichtungen für Nanoobjekte wurden für medizinische Anwendungen für die Bereiche Diagnose und Therapie entwickelt. Für Kerne bzw. Trägerstoffe werden neben Eisenoxid als Material auch Gold und Quantenpunkte eingesetzt. Im Forschungsstadium befinden sich darüber hinaus Arbeiten mit beschichteten Nanomaterialien aus Siliziumdioxid oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT).

Die Beschichtung hat folgende Aufgaben zu erfüllen:

• erstens die Sicherstellung der Biokompatibilität
• zweitens eine kontrollierte Verweilzeit im Blut
• und drittens das gezielte Erreichen bestimmter Zellen oder Organe

Mithilfe von entsprechenden Antikörpern, die auf der Oberfläche aufgebracht werden, können die Partikel gezielt zu Organen und Zellen, wie z.B. Tumorzellen oder entzündete Bereichen, gelenkt werden. Dabei nutzt man die schon vorhandene biokompatible Schicht für die Kopplung der Antikörper.

Lange Verweilzeiten im Blut erreicht man durch eine Beschichtung mit Polyethylenglykol (PEG). Eine kurze Verweilzeit und damit raschere Aufnahme in die Leber lässt sich durch eine Dextran-Beschichtung erzielen. Partikel mit solch komplizierten Beschichtungen können Durchmesser von 50-100 nm aufweisen, was bedeutet, dass der fertig beschichtete Partikel 5-10 mal größer als der anorganische Kern (im Zentrum) ist. Durch diese Vorgehensweise wird jetzt das Verhalten der Partikel gegenüber den Zellen von der Zusammensetzung der Beschichtung und nicht mehr von der ursprünglichen Zusammensetzung des Partikels (Kern) bestimmt.

Literatur

1. Zhang, L et al. (2011), Toxicol Lett, 207(1): 73-81.
2. McGuinnes, C et al. (2011), Toxicol Sci, 119(2): 359-368.