The surface properties of nanoparticles determine the agglomeration state and the size of the particles under physiological conditions

Beilstein Journal of Nanotechnology

Volumn 5, Issue 1, 2014, Pages 1774-1786

  Bantz, Christoph ^a   Koshkina, Olga ^a,b   Lang, Thomas ^a,b   Galla, Hans Joachim ^c   Kirkpatrick, C James ^d   Stauber, Roland H ^d   Maskos, Michael ^a  

^a INSTITUT FÜR MIKROTECHNIK MAINZ GMBH   (Germany)

^b BAM FEDERAL INSTITUTE FOR MATERIALS RESEARCH AND TESTING   (Germany)

^c UNIVERSITY OF MÜNSTER   (Germany)

^d UNIVERSITY MEDICAL CENTER MAINZ   (Germany)

Author keywords

Nanomaterial characterization; Physiological conditions; Silica nanoparticles; Siloxane nanoparticles; Surface properties

Indexed keywords

AGGLOMERATION; BIOLOGICAL MATERIALS; CHARACTERIZATION; FRACTIONATION; LIGHT SCATTERING; LIQUID CHROMATOGRAPHY; MEDICAL APPLICATIONS; NANOPARTICLES; NANOSTRUCTURED MATERIALS; SILICA; SURFACE PROPERTIES; SURFACE TREATMENT; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY;

ASYMMETRIC-FLOW FIELD FLOW FRACTIONATIONS; BIOMEDICAL APPLICATIONS; CHARACTERIZATION TECHNIQUES; COLLOIDAL PROPERTIES; NANOMATERIAL; PHYSIOLOGICAL CONDITION; SILICA NANOPARTICLES; SIZE CHARACTERIZATION;

PHYSIOLOGY;

EID: 84931266234     PISSN: None     EISSN: 21904286     Source Type: Journal    
DOI: 10.3762/bjnano.5.188     Document Type: Article

References (83)

1. Zhu, M.; Nie, G.; Meng, H.; Xia, T.; Nel, A.; Zhao, Y. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 622-631. doi:10.1021/ar300031y
2. Nel, A. E.; Mädler, L.; Velegol, D.; Xia, T.; Hoek, E. M. V.; Somasundaran, P.; Klaessig, F.; Castranova, V.; Thompson, M. Nat. Mater. 2009, 8, 543-557. doi:10.1038/nmat2442
3. Lewinski, N.; Colvin, V.; Drezek, R. Small 2008, 4, 26-49. doi:10.1002/smll.200700595
4. Oberdörster, G.; Oberdörster, E.; Oberdörster, J. Environ. Health Perspect. 2005, 113, 823-839. doi:10.1289/ehp.7339
5. Orts-Gil, G.; Natte, K.; Drescher, D.; Bresch, H.; Mantion, A.; Kneipp, J.; österle, W. J. Nanopart. Res. 2011, 13, 1593-1604. doi:10.1007/s11051-010-9910-9
6. Meißner, T.; Potthoff, A.; Richter, V. Inhalation Toxicol. 2009, 21, 35-39. doi:10.1080/08958370902942608
7. Murdock, R. C.; Braydich-Stolle, L.; Schrand, A. M.; Schlager, J. J.; Hussain, S. M. Toxicol. Sci. 2008, 101, 239-253. doi:10.1093/toxsci/kfm240
8. Oberdörster, G.; Maynard, A.; Donaldson, K.; Castranova, V.; Fitzpatrick, J.; Ausman, K.; Carter, J.; Karn, B.; Kreyling, W.; Lai, D.; Olin, S.; Monteiro-Riviere, N.; Warheit, D.; Yang, H. Part. Fibre Toxicol. 2005, 2, 8. doi:10.1186/1743-8977-2-8
9. Powers, K. W.; Brown, S. C.; Krishna, V. B.; Wasdo, S. C.; Moudgil, B. M.; Roberts, S. M. Toxicol. Sci. 2006, 90, 296-303. doi:10.1093/toxsci/kfj099
10. Warheit, D. B. Toxicol. Sci. 2008, 101, 183-185. doi:10.1093/toxsci/kfm279
11. Treuel, L.; Nienhaus, G. U. Biophys. Rev. 2012, 4, 137-147. doi:10.1007/s12551-012-0072-0
12. Tenzer, S.; Docter, D.; Kuharev, J.; Musyanovych, A.; Fetz, V.; Hecht, R.; Schlenk, F.; Fischer, D.; Kiouptsi, K.; Reinhardt, C.; Landfester, K.; Schild, H.; Maskos, M.; Knauer, S. K.; Stauber, R. H. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 772-781. doi:10.1038/nnano.2013.181
13. Tenzer, S.; Docter, D.; Rosfa, S.; Wlodarski, A.; Kuharev, J.; Rekik, A.; Knauer, S. K.; Bantz, C.; Nawroth, T.; Bier, C.; Sirirattanapan, J.; Mann, W.; Treuel, L.; Zellner, R.; Maskos, M.; Schild, H.; Stauber, R. H. ACS Nano 2011, 5, 7155-7167. doi:10.1021/nn201950e
14. Walczyk, D.; Bombelli, F. B.; Monopoli, M. P.; Lynch, I.; Dawson, K. A. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5761-5768. doi:10.1021/ja910675v
15. Kasper, J.; Hermanns, M. I.; Bantz, C.; Koshkina, O.; Lang, T.; Maskos, M.; Pohl, C.; Unger, R. E.; Kirkpatrick, C. J. Arch. Toxicol. 2013, 87, 1053-1065. doi:10.1007/s00204-012-0876-5
16. Kasper, J.; Hermanns, M. I.; Bantz, C.; Utech, S.; Koshkina, O.; Maskos, M.; Brochhausen, C.; Pohl, C.; Fuchs, S.; Unger, R. E.; Kirkpatrick, C. J. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2013, 84, 275-287. doi:10.1016/j.ejpb.2012.10.011
17. Mitragotri, S.; Lahann, J. Nat. Mater. 2009, 8, 15-23. doi:10.1038/nmat2344
18. Maskos, M.; Stauber, R. H. Methods of analysis. In Comprehensive Biomaterials; Ducheyne, P., Ed.; Elsevier: Oxford, 2011; Vol. 3, pp 329-339.
19. Sapsford, K. E.; Tyner, K. M.; Dair, B. J.; Deschamps, J. R.; Medintz, I. L. Anal. Chem. 2011, 83, 4453-4488. doi:10.1021/ac200853a
20. Williams, D. B.; Carter, C. B. Transmission electron microscopy: A textbook for materials science; Plenum Press: New York, 1996. doi:10.1007/978-1-4757-2519-3
21. Burrows, N. D.; Penn, R. L. Microsc. Microanal. 2013, 19, 1542-1553. doi:10.1017/S1431927613013354
22. Milne, J. L. S.; Borgnia, M. J.; Bartesaghi, A.; Tran, E. E. H.; Earl, L. A.; Schauder, D. M.; Lengyel, J.; Pierson, J.; Patwardhan, A.; Subramaniam, S. FEBS J. 2013, 280, 28-45. doi:10.1111/febs.12078
23. Almgren, M.; Edwards, K.; Karlsson, G. Colloids Surf., A 2000, 174, 3-21. doi:10.1016/S0927-7757(00)00516-1
24. Brown, W. Light scattering: Principles and development; Clarendon Press: Oxford, 1996.
25. Brown, W. Dynamic light scattering: the method and some applications; Clarendon Press: Oxford, 1993.
26. Schärtl, W. Light scattering from polymer solutions and nanoparticle dispersions; Springer Laboratory; Springer: Berlin, 2007.
27. Jones, C. F.; Grainger, D. W. Adv. Drug Delivery Rev. 2009, 61, 438-456. doi:10.1016/j.addr.2009.03.005
28. Rausch, K.; Reuter, A.; Fischer, K.; Schmidt, M. Biomacromolecules 2010, 11, 2836-2839. doi:10.1021/bm100971q
29. Bargeron, C. B. J. Chem. Phys. 1974, 61, 2134. doi:10.1063/1.1682225
30. Förster, S.; Schmidt, M. Physical Properties of Polymers; Springer: Berlin, 1995; Vol. 120, pp 51-133.
31. Förster, S.; Schmidt, M.; Antonietti, M. Polymer 1990, 31, 781-792. doi:10.1016/0032-3861(90)90036-X
32. Williams, D. F. Biomaterials 2008, 29, 2941-2953. doi:10.1016/j.biomaterials.2008.04.023
33. Ratanathanawongs Williams, S. K.; Lee, D. J. Sep. Sci. 2006, 29, 1720-1732. doi:10.1002/jssc.200600151
34. Schimpf, M. E.; Caldwell, K.; Giddings, J. C. Field flow fractionation handbook; Wiley-Interscience: New York, 2000.
35. Giddings, J. C. Science 1993, 260, 1456-1465. doi:10.1126/science.8502990
36. Giddings, J. C.; Kucera, E.; Russell, C. P.; Myers, M. N. J. Phys. Chem. 1968, 72, 4397-4408. doi:10.1021/j100859a008
37. Scherer, C.; Noskov, S.; Utech, S.; Bantz, C.; Mueller, W.; Krohne, K.; Maskos, M. J. Nanosci. Nanotechnol. 2010, 10, 6834-6839. doi:10.1166/jnn.2010.2973
38. Wahlund, K. G.; Giddings, J. C. Anal. Chem. 1987, 59, 1332-1339. doi:10.1021/ac00136a016
39. Lang, T.; Eslahian, K. A.; Maskos, M. Macromol. Chem. Phys. 2012, 213, 2353-2361. doi:10.1002/macp.201200132
40. Verwey, E. J. W. J. Phys. Chem. 1947, 51, 631-636. doi:10.1021/j150453a001
41. Kunz, W.; Henle, J.; Ninham, B. W. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2004, 9, 19-37. doi:10.1016/j.cocis.2004.05.005
42. Parsons, D. F.; Boström, M.; Lo Nostro, P.; Ninham, B. W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 12352-12367. doi:10.1039/c1cp20538b
43. Benincasa, M.-A.; Caldwell, K. D. J. Chromatogr., A 2001, 925, 159-169. doi:10.1016/S0021-9673(01)01011-1
44. Li, J.; Zhong, W. J. Chromatogr., A 2008, 1183, 143-149. doi:10.1016/j.chroma.2008.01.029
45. Andreev, V. P.; Stefanovich, L. A. Chromatographia 1993, 37, 325-328. doi:10.1007/BF02278642
46. Hagendorfer, H.; Kaegi, R.; Traber, J.; Mertens, S. F. L.; Scherrers, R.; Ludwig, C.; Ulrich, A. Anal. Chim. Acta 2011, 706, 367-378. doi:10.1016/j.aca.2011.08.014
47. Gigault, J.; Le Hécho, I.; Dubascoux, S.; Potin-Gautier, M.; Lespes, G. J. Chromatogr., A 2010, 1217, 7891-7897. doi:10.1016/j.chroma.2010.10.042
48. Rolland-Sabaté, A.; Mendez-Montealvo, M. G.; Colonna, P.; Planchot, V. Biomacromolecules 2008, 9, 1719-1730. doi:10.1021/bm7013119
49. Ehrhart, J.; Mingotaud, A.-F.; Violleau, F. J. Chromatogr., A 2011, 1218, 4249-4256. doi:10.1016/j.chroma.2011.01.048
50. Schmidt, B.; Loeschner, K.; Hadrup, N.; Mortensen, A.; Sloth, J. J.; Bender Koch, C.; Larsen, E. H. Anal. Chem. 2011, 83, 2461-2468. doi:10.1021/ac102545e
51. Kasper, J.; Hermanns, M. I.; Bantz, C.; Maskos, M.; Stauber, R.; Pohl, C.; Unger, R. E.; Kirkpatrick, C. J. Part. Fibre Toxicol. 2011, 8, 6. doi:10.1186/1743-8977-8-6
52. Utech, S.; Scherer, C.; Krohne, K.; Carrella, L.; Rentschler, E.; Gasi, T.; Ksenofontov, V.; Felser, C.; Maskos, M. J. Magn. Magn. Mater. 2010, 322, 3519-3526. doi:10.1016/j.jmmm.2010.06.056
53. Diehl, C.; Flügel, S.; Fischer, K.; Maskos, M. Prog. Colloid Polym. Sci. 2008, 134, 128-133. doi:10.1007/2882_2008_086
54. Napierska, D.; Thomassen, L. C. J.; Lison, D.; Martens, J. A.; Hoet, P. H. Part. Fibre Toxicol. 2010, 7, 39. doi:10.1186/1743-8977-7-39
55. Bergna, H. E.; Roberts, W. O. Colloidal Silica: Fundamentals and Applications; CRC Press: Wilmington, Delaware, USA, 2005.
56. Bergna, H. E. The Colloid Chemistry of Silica; American Chemical Society, 1994; Vol. 234. doi:10.1021/ba-1994-0234
57. Iler, R. K. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica; John Wiley & Sons: Hoboken, New Jersey, 1979.
58. Gun'ko, V. M.; Mironyuk, I. F.; Zarko, V. I.; Voronin, E. F.; Turov, V. V.; Pakhlov, E. M.; Goncharuk, E. V.; Nychiporuk, Y. M.; Vlasova, N. N.; Gorbik, P. P.; Mishchuk, O. A.; Chuiko, A. A.; Kulik, T. V.; Palyanytsya, B. B.; Pakhovchishin, S. V.; Skubiszewska-Zieba, J.; Janusz, W.; Turov, A. V.; Leboda, R. J. Colloid Interface Sci. 2005, 289, 427-445. doi:10.1016/j.jcis.2005.05.051
59. Barthel, H.; Heinemann, M.; Stintz, M.; Wessely, B. Chem. Eng. Technol. 1998, 21, 745-752. doi:10.1002/(SICI)1521-4125(199809)21:9<745::AID-CEAT745>3.0.C O;2-Q
60. Stöber, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Colloid Interface Sci. 1968, 26, 62-69. doi:10.1016/0021-9797(68)90272-5
61. Ow, H.; Larson, D. R.; Srivastava, M.; Baird, B. A.; Webb, W. W.; Wiesner, U. Nano Lett. 2005, 5, 113-117. doi:10.1021/nl0482478
62. Graf, C.; Vossen, D. L. J.; Imhof, A.; van Blaaderen, A. Langmuir 2003, 19, 6693-6700. doi:10.1021/la0347859
63. van Blaaderen, A.; Vrij, A. J. Colloid Interface Sci. 1993, 156, 1-18. doi:10.1006/jcis.1993.1073
64. van Blaaderen, A.; Vrij, A. Langmuir 1992, 8, 2921-2931. doi:10.1021/la00048a013
65. Tang, F.; Li, L.; Chen, D. Adv. Mater. 2012, 24, 1504-1534. doi:10.1002/adma.201104763
66. Scherer, C.; Utech, S.; Scholz, S.; Noskov, S.; Kindervater, P.; Graf, R.; Thünemann, A. F.; Maskos, M. Polymer 2010, 51, 5432-5439. doi:10.1016/j.polymer.2010.09.065
67. Jungmann, N.; Schmidt, M.; Maskos, M.; Weis, J.; Ebenhoch, J. Macromolecules 2002, 35, 6851-6857. doi:10.1021/ma012145b
68. Baumann, F.; Schmidt, M.; Deubzer, B.; Geck, M.; Dauth, J. Macromolecules 1994, 27, 6102-6105. doi:10.1021/ma00099a024
69. Koshkina, O.; Bantz, C.; Würth, C.; Lang, T.; Resch-Genger, U.; Maskos, M. Macromol. Symp. 2001, 309-310, 141-146. doi:10.1002/masy.201100041
70. Graf, C.; Schärtl, W.; Fischer, K.; Hugenberg, N.; Schmidt, M. Langmuir 1999, 15, 6170-6180. doi:10.1021/la990222e
71. Dwivedi, M. V.; Harishchandra, R. K.; Koshkina, O.; Maskos, M.; Galla, H.-J. Biophys. J. 2014, 106, 289-298. doi:10.1016/j.bpj.2013.10.036
72. Sachan, A. K.; Harishchandra, R. K.; Bantz, C.; Maskos, M.; Reichelt, R.; Galla, H.-J. ACS Nano 2012, 6, 1677-1687. doi:10.1021/nn204657n
73. Harishchandra, R. K.; Saleem, M.; Galla, H.-J. J. R. Soc., Interface 2010, 7 (Suppl. 1), S15-S26. doi:10.1098/rsif.2009.0329.focus
74. Creuwels, L. A. J. M.; van Golde, L. M. G.; Haagsman, H. P. Lung 1997, 175, 1-39. doi:10.1007/PL00007554
75. Koshkina, O. Multifunctional Poly(organosiloxane) Nanoparticles as a Model System for Biomedical Applications. Ph.D. Thesis, Berlin, 2013.
76. de Temmerman, P.-J.; van Doren, E.; Verleysen, E.; van der Stede, Y.; Francisco, M. A. D.; Mast, J. J. NanoBiotechnology 2012, 10, 24. doi:10.1186/1477-3155-10-24
77. Delgado, A.; González-Caballero, F.; Hunter, R.; Koopal, L.; Lyklema, J. J. Colloid Interface Sci. 2007, 309, 194-224. doi:10.1016/j.jcis.2006.12.075
78. Cho, K.; Lee, Y.; Lee, C.-H.; Lee, K.; Kim, Y.; Choi, H.; Ryu, P.-D.; Lee, S. Y.; Joo, S.-W. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 8629-8633. doi:10.1021/jp801078m
79. Jiang, J.; Oberdörster, G.; Biswas, P. J. Nanopart. Res. 2009, 11, 77-89. doi:10.1007/s11051-008-9446-4
80. Gebauer, J. S.; Treuel, L. J. Colloid Interface Sci. 2011, 354, 546-554. doi:10.1016/j.jcis.2010.11.016
81. Bitter, J. L.; Duncan, G. A.; Beltran-Villegas, D. J.; Fairbrother, D. H.; Bevan, M. A. Langmuir 2013, 29, 8835-8844. doi:10.1021/la401607z
82. Gebauer, J. S.; Malissek, M.; Simon, S.; Knauer, S. K.; Maskos, M.; Stauber, R. H.; Peukert, W.; Treuel, L. Langmuir 2012, 28, 9673-9679. doi:10.1021/la301104a
83. Treuel, L.; Brandholt, S.; Maffre, P.; Wiegele, S.; Shang, L.; Nienhaus, G. U. ACS Nano 2014, 8, 503-513. doi:10.1021/nn405019v