Kugelförmige Gold-Cockle-Schale-Calciumcarbonat-Nanopartikel: Herstellung, Charakterisierung und Zytotoxizität für biomedizinische Anwendungen

Zusammenfassung

Wir berichten über eine einfache, umweltfreundliche Synthese kugelförmiger Gold-konjugierter Cockle-Schalen-Calciumcarbonat-Nanopartikel (Au-CSCaCO₃NPs) und bewerten deren physikochemische Eigenschaften und Biokompatibilität. Goldnanopartikel wurden durch Citratreduktion hergestellt und mit Aragonit-CaCO₃ gekoppelt, der aus Anadara granosa-Schalen via dodecyldimethylbetain-vermittelter Fällung extrahiert wurde. Die resultierenden Hybridpartikel weisen einen Durchmesser von 35 ± 16 nm auf, besitzen eine negative Oberflächenladung (−16,4 mV) und zeigen ein charakteristisches LSPR-Maximum bei 530 nm. Zytotoxizitätstests an MCF-7- und NIH-3T3-Zellen ergaben >70 % Inhibition von Krebszellen bei 100 µg mL⁻¹ bei Schonung von Fibroblasten, was auf selektive Biokompatibilität hindeutet. Diese Ergebnisse deuten auf Au-CSCaCO₃NPs als vielversprechende Plattform für gezielte Wirkstofffreisetzung und Imaging hin.

Hintergrund

Monodisperse Nanopartikel sind entscheidend für fortgeschrittene biomedizinische Anwendungen wie Wirkstofffreisetzung, Imaging und Biosensing. Goldnanopartikel (AuNPs) bieten einstellbare optische Eigenschaften, während biogenes Calciumcarbonat, besonders der Aragonit-Polymorph aus Cockle-Schalen, ausgezeichnete Biokompatibilität und hohe Oberfläche bietet. Konventionelle CaCO₃-Synthese ergibt oft nicht-biogene Calcit/Vaterit-Mischungen, die für klinische Nutzung ungeeignet sind. Unser Ansatz kombiniert ein skalierbares, kosteneffizientes Goldreduktionsprotokoll mit einer dodecyldimethylbetain-vermittelten Fällung von Cockle-Schalen-CaCO₃, wodurch ein Hybrid-Nanomaterial entsteht, das die vorteilhaften Eigenschaften beider Komponenten behält.

Methoden

Materialien

Gold(III)-chlorid-trihydrat, Trinatriumcitrat, dodecyldimethylbetain (BS-12), Indocyaningrün (ICG) und Standard-Zellkultur-Reagenzien wurden von kommerziellen Lieferanten bezogen. Frische Cockle-Schalen wurden lokal beschafft, gewaschen, getrocknet, zu <90 µm Pulver vermahlen und direkt für die CaCO₃-Synthese verwendet.

Synthese von AuNPs

Gold(III)-chlorid (0,1 % w/v) wurde mit 1 % Trinatriumcitrat bei 100 °C für 15 min reduziert, was ein leuchtend rotes Kolloid ergab. Die Reaktion folgt: 2 HAuCl₄ + 3 C₆H₈O₇ → 2 Au + 3 C₃H₆O₅ + 8 HCl + 3 CO₂.

Herstellung von Cockle-Schalen-CaCO₃-Nanopartikeln (CSCaCO₃NPs)

2 g Schalenpulver wurden in 50 mL deionisiertem Wasser mit 0,5 mL BS-12 dispersiert, bei 1000 U/min, 50 °C für 135 min gerührt. Der Niederschlag wurde filtriert, gewaschen, getrocknet und 5 Tage bei 200 U/min gemahlen, um monodisperse kugelförmige CaCO₃-Partikel zu erhalten.

Konjugation zu Au-CSCaCO₃NPs

0,2 g CSCaCO₃NPs und 5 mg ICG wurden mit 20 mL AuNP-Kolloid (pH 7) gemischt. Die Suspension wurde soniziert (20 min) und 3 Tage bei 200 U/min gerührt, dann bei 10 000 U/min ultrazenrifugiert, um das Konjugat zurückzugewinnen, welches gewaschen und getrocknet wurde.

Charakterisierung

• Transmissionselektronenmikroskopie (TEM): 19–51 nm kugelförmige Partikel, Mittelwert 35 ± 16 nm.
• Feldemissions-SEM & EDX: Morphologie, elementare Zusammensetzung (C 65 %, O 13,5 %, Ca 0,02 %, Cu 17,6 %, Au 3,9 %).
• Fourier-Transform-IR: Peaks bei 1455, 1059, 854, 706 cm⁻¹ indizierend Carboxylat- und Aragonit-Signaturen.
• UV-Vis: LSPR-Peak bei 530 nm.
• Zeta-Potenzial: −16,4 ± 3,8 mV, PdI < 0,5.

Zellkultur & Zytotoxizität

MCF-7 (Mammakarzinom) und NIH-3T3 (Mausfibroblasten) Zellen wurden in DMEM mit 10 % FBS kultiviert. Zellen wurden in 96-Well-Platten (5 × 10³ Zellen/Well) ausgesät und Au-CSCaCO₃NPs (25–100 µg mL⁻¹) für 24, 48 und 72 h ausgesetzt. Zellviabilität wurde per MTT-Assay (570 nm) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Physikochemische Eigenschaften

Die Hybrid-Nanopartikel sind gleichmäßig kugelförmig mit enger Größenverteilung und stark negativer Oberflächenladung, was gute kolloidale Stabilität anzeigt. Der LSPR-Peak-Shift bestätigt die erfolgreiche Goldkonjugation.

Zytotoxizität

Au-CSCaCO₃NPs inhibierten >70 % Proliferation von MCF-7-Zellen bei 100 µg mL⁻¹, während die NIH-3T3-Viabilität nur um ~40 % reduziert wurde. IC₅₀-Werte lagen bei 25–50 µg mL⁻¹ für Krebszellen und >80 µg mL⁻¹ für Fibroblasten, was selektive Zytotoxizität demonstriert.

Schlussfolgerungen

Wir haben einen skalierbaren, umweltfreundlichen Weg etabliert, um kugelförmige Au-konjugierte Cockle-Schalen-CaCO₃-Nanopartikel mit kontrollierter Größe, ausgezeichneter Stabilität und selektiver Antikrebsaktivität herzustellen. Diese Hybride sind vielversprechende Kandidaten für gezielte Wirkstofffreisetzung, Imaging und theranostische Anwendungen.