Fortgeschrittene Ansätze zur Synthese von Edelmetall-Nanopartikeln

Zusammenfassung

Edelmetalle spielen seit Jahrhunderten eine zentrale Rolle in der menschlichen Geschichte; ihre Verbindung mit jüngsten Fortschritten in der Nanotechnologie und Materialwissenschaft hat jedoch neue Forschungsmöglichkeiten in Wissenschaft und Industrie eröffnet, was zu einer Vielzahl fortschrittlicher Anwendungen führte, darunter auch medizinische. Edelmetall-Nanopartikel (NMNPs) sind seit einigen Jahrzehnten im Bereich der Biomedizin von großer Bedeutung, da sie für personalisierte Gesundheitsversorgung und Diagnostik unverzichtbar sind. Insbesondere Platin-, Gold- und Silber-Nanopartikel nehmen aufgrund ihres vielfältigen Anwendungsspektrums in der Industrie – einschließlich biomedizinischer Anwendungen wie antimikrobielle und antivirale Wirkstoffe, Diagnostik, Wirkstoffträger und Bildgebungssonden – eine dominante Stellung ein. Besonders geschätzt wird ihre überlegene Beständigkeit gegen extreme Korrosions- und Oxidationsbedingungen. In den letzten zwei Jahrzehnten gab es enorme Fortschritte bei der Entwicklung neuer, kosteneffizienter und robuster Synthesemethoden für NMNPs, die Materialien mit hochgradig einstellbaren physikochemischen, optischen und thermischen Eigenschaften sowie biochemischen Funktionalitäten liefern. Dies führte zur Entwicklung neuartiger hybrider NMNPs mit Polymeren, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Quantenpunkten und Core-Shell-Systemen, die noch verbesserte physikochemische Eigenschaften aufweisen und außergewöhnliche diagnostische und therapeutische Anwendungen ermöglichen. In diesem Review fassen wir die aktuellen Fortschritte in der Synthese von NMNPs (Au, Ag, Pt) zusammen.

Einleitung

Edelmetalle werden bereits seit langer Zeit genutzt, zurückreichend bis zur ägyptischen Hochkultur, und galten stets als Zeichen von Macht und Reichtum. Entsprechend finden sie sich in der Geschichte in Form kostbarer Kunstwerke, Münzen, Schmuck etc. [1]. Diese Metalle sind allgemein teurer als andere aufgrund ihrer geringen Verfügbarkeit in der Erdkruste [2, 3]. Wegen ihrer Robustheit und Beständigkeit gegen extreme Korrosions- und Oxidationsbedingungen werden sie breit in der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Chemie, Energie, Elektrotechnik und Elektronik sowie – besonders wichtig – im Gesundheitswesen eingesetzt (von chirurgischen Instrumenten bis zu Kontrastmitteln in der Bildgebung) [4, 5].

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Nanotechnologie als vielversprechendste Zukunftstechnologie erwiesen, die unzählige Möglichkeiten bietet. Die multidisziplinäre Unterstützung aus Wissenschaft und Industrie machte sie zum am schnellsten wachsenden Feld mit hochgradig vielversprechenden Ergebnissen [6–8]. Der technologische Sprung in der Synthese und Kontrolle von Metallen auf der Nanoskala eröffnet immense Forschungsmöglichkeiten für personalisierte Gesundheitsversorgung, Diagnostik und Therapien [9–11]. Metall-Nanopartikel (MNPs) sind die am häufigsten und breitesten untersuchten Nanomaterialien, da sie im Vergleich zu ihrem Bulk-Material beeindruckende physikochemische Eigenschaften und ein großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis aufweisen. Für biomedizinische Anwendungen wurden NMNPs aufgrund ihrer Beständigkeit in rauen Umgebungen zur naheliegenden Wahl. Sie finden Anwendung in hochsensitiven diagnostischen Assays, als Verstärker thermischer Ablation in der Radiotherapie und als Träger für Wirkstoff- und Gentransport [3, 12, 13].

Die jüngste Verschmelzung von Nanotechnologie und Materialwissenschaft führte zur Entwicklung neuer Nanokompositmaterialien mit stark verbesserten thermischen, katalytischen, elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu den Einzelkomponenten. Besonders Komposite aus NMNPs erregten großes Forschungsinteresse aufgrund ihrer beeindruckenden physikochemischen Eigenschaften, die eine entscheidende Rolle bei der Modifikation nanoskaliger Bausteine spielen und breite Anwendungen in der Katalyse (insbesondere Elektrokatalyse), Optik, Nanomedizin und Umweltschutz ermöglichen [14–17]. Edelmetalle im kolloidalen Zustand waren Gegenstand intensiver Studien, hauptsächlich wegen ihrer Wirksamkeit in Therapeutik und Diagnostik [2, 18]. Ebenso trugen Verbesserungen in der Synthese von Materialien wie Graphenoxid und reduziertem Graphenoxid [14, 19, 20], Quantenpunkten [21–23] und Kohlenstoffnanoröhren [24–26] zu machbareren und effektiveren Methoden für die Bildung von NMNCs bei.

Aufgrund der kleinen Größe von Au- und Pt-NPs sowie NMNPs, ihres großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und ihrer Fähigkeit, Hochleistungselektronentransferprozesse zu unterstützen, sind sie ideale Kandidaten für elektrochemische Sensoren [27–29]. Die optischen Eigenschaften von NMNPs waren Gegenstand zahlreicher Studien, insbesondere bei Ag- und Au-NPs. Diese NPs reagieren unterschiedlich auf verschiedene Lichtwellenlängen (extensive Streuung vom sichtbaren bis in den nahen Infrarotbereich bei Au) und werden als Signalverstärker in der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie (SERS), lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz und anderen Resonanzstreuungsspektroskopien eingesetzt [30–33]. Aufgrund ihrer umfassend einstellbaren optischen Eigenschaften und Biokompatibilität finden Au-NPs Anwendung in der photothermischen Therapie und in-vivo-Bildgebung (photoakustische Bildgebung) von Tumoren [34–36]. Kürzlich zeigten auch Ag-NPs ihr Potenzial in der photothermischen Therapie, wo sie meist als Ag-Core-Shell-Systeme oder Komposite (mit reduziertem Graphenoxid/Kohlenstoffnanoröhren) eingesetzt werden [37–39]. Die Biokompatibilität von NMNPs mit Zellen und Geweben eröffnet breite Anwendbarkeit in der Diagnostik [14]. Biosensoren aus NMNPs und NMNCs (insbesondere Graphen) spielten eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung von Genauigkeit und Spezifität, was einen Vorteil gegenüber bestehenden biomolekularen Diagnosemethoden bietet [40, 41]. Generell werden Au- und Pt-NPs in der Entwicklung neuartiger Biosensoren und Sonden eingesetzt, da sie an Biomoleküle adsorbieren können und über hervorragende Leitfähigkeit und Stabilität verfügen [42–45]. Folglich werden NMNPs selbst oder in Form von NMNCs als Immunsensoren [46], Biomoleküle zur Detektion [47] und Nanoprobens (für in-vivo-Zellbildgebung, Tracking und Untersuchung der Pathogenese von Krankheitsverläufen) angewendet [2, 6, 48]. Trotz all dieser Vorteile von NMNPs und NMNCs bestehen weiterhin viele Fragen und Debatten zu ihrem Sicherheitsprofil im menschlichen Körper [49–51].

In diesem Review geben wir einen Überblick über die Synthesemethoden von NMNPs (Ag, Au, Pt) und NMNCs (mit Ag, Au, Pt) sowie deren aktuelle Entwicklungen in biomedizinischen Anwendungen als Therapeutika und Diagnostika, einschließlich der Synergieeffekte, die NMNCs mit NMNPs in Bezug auf verbesserte Leistung zeigen – ein aktuelles Schwerpunktthema der Materialforschung.

Aktuelle Trends in der NMNP-Synthese

Synthesemethoden von NMNPs

Die Herstellung von NPs folgt grundsätzlich zwei verschiedenen Ansätzen: (1) Top-down (destruktive Methode) und (2) Bottom-up (konstruktive Methode) (Abb. 1).

Top-down-Prozesse beinhalten das Zerlegen von Bulk-Materialien in kleinere Partikel im Nanometerbereich mittels verschiedener physikalischer und chemischer Methoden. Im Gegensatz dazu werden bei Bottom-up-Ansätzen NPs durch Selbstorganisation von Atomen, Molekülen oder Clustern hergestellt. Top-down-Verfahren umfassen extern gesteuerte Prozesse wie Schneiden, Fräsen und Formen der Materialien in die gewünschte Ordnung und Form. Dazu gehören physikalische Methoden wie Pyrolyse [61, 62], Nanolithografie [63, 64], Thermolyse [65] und strahlungsinduzierte Methoden [66–68]. Dieser Ansatz hat jedoch eine wesentliche Einschränkung: die unvollkommene Oberflächenstruktur der resultierenden MNPs, die deren physikalische und chemische Eigenschaften erheblich beeinflusst [1]. Zudem erfordert diese Methode enorme Energiemengen, um die Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen während des Syntheseverfahrens aufrechtzuerhalten, was den Prozess teuer macht.

Bei Bottom-up-Methoden werden NPs aus den entsprechenden Atomen, Clustern und Molekülen mittels chemischer sowie biologischer Verfahren zusammengebaut. Der Bottom-up-Ansatz hat sich als vorteilhaft erwiesen, da er eine weitaus bessere Kontrolle über die Produktbildung ermöglicht mit homogenerer Größe, Form (physikalische Parameter) und chemischer Zusammensetzung. Zudem ist dieser Ansatz im Allgemeinen kostengünstiger. Häufig handelt es sich um nasschemische Syntheseverfahren wie chemische [69, 70], elektrochemische [71–73], sonochemische [74, 75] und grüne Synthese [76, 77]. Die Hauptforderung beim Bottom-up-Ansatz ist die Reinigung der synthetisierten Partikel aus ihrem Reaktionsgemisch (toxische Chemikalien, organische Lösungsmittel und Reagenzien), was ihre biomedizinischen Anwendungen in Frage stellt – mit Ausnahme grüner Synthesemethoden.

Top-down-Ansätze

Sputtern

Sputtern ist eines der am häufigsten verwendeten Syntheseprotokolle, das die Abscheidung von NPs als dünne Schicht umfasst, die durch Ionenkollision auf dem Substrat erzeugt und anschließend geglüht wird. Diese Methode wird auch als Physical Vapor Deposition (PVD) bezeichnet [78, 79]. Die Effizienz hängt hauptsächlich von Faktoren wie Schichtdicke, Substrattyp, Glühdauer und -temperatur ab, die direkt die Größe und Form der NPs beeinflussen [55, 80, 81].

Mikrostrukturierung

Mikrostrukturierung, eine beliebte Technik in Biosensoren, Microarrays, Tissue Engineering und Zellstudien [82], wird auch zur Synthese von MNPs eingesetzt. Im Allgemeinen entspricht dieses Verfahren einem Druckprozess, bei dem ein Material in die erforderliche Form und Größe geschnitten oder geformt wird, entweder mit Licht- oder Elektronenstrahl zur Synthese nanostructrukturierter Arrays aus einem geeigneten Precursor. Es handelt sich um ein Niedrigtemperatur-, Nicht-Vakuum-Verfahren, das Photolithografie zur MNP-Synthese nutzt und den Lasersintern von MNP-Tinte einsetzt [83, 84]. Neben der Photolithografie wurden zahlreiche Lithografietechniken entwickelt, wie Raster-, Weich-Nanoimprint-, Kolloid-, Nanosphären- und E-Strahl-Lithografie [2, 57, 85, 86].

Fräsen

Fräsen gilt als das öffentliche Gesicht der Top-down-Prozesse, da es das direkte Zerbrechen von Bulk-Materialien in Mikro-/Nanostrukturen beinhaltet. Beim mechanischen Fräsen wird die kinetische Energie der Rollen/Kugeln auf das Bulk-Material übertragen, was zu einer Korngrößenreduktion führt [87]. Parameter wie Frästyp, Fräsatmosphäre, Fräsmedien, Intensität, Zeit und Temperatur spielen eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle von Form und Größe der NPs [88, 89]. Verschiedene Techniken wurden entwickelt, um diese Einschränkungen zu überwinden, darunter Schüttelmühlen, Trommelmühlen, Vibrationsmühlen, Attritionsmühlen und Planetenmühlen.

Laserablation

Laserablation gilt als geeigneter Ersatz für konventionelle chemische Methoden aufgrund schneller Verarbeitungszeiten, besserer Kontrolle über Partikelgröße und -form sowie hoher Ausbeuten mit besserer Langzeitstabilität [78, 90–92]. Bei der Laserablation wird eine feste Oberfläche (generell eine Platte aus reinem Metall) mit einem Laserstrahl bestrahlt, was zu einer niedrigflussigen Plasmapfahne führt, die schließlich verdampft oder sublimiert, um NPs zu bilden [93]. Bei höherem Fluss werden die Materialien in Plasma umgewandelt. Der Verzicht auf die Entfernung überschüssiger Reagenzien sowie die Möglichkeit der Metallsynthese sowohl in wässrigen als auch organischen Lösungsmitteln ermöglicht die Implementierung der Laserablation in biomedizinischen Anwendungen wie der in-situ-Konjugation von Biomolekülen mit MNPs, die sich als effektiver erwiesen hat als Standardtechniken [54, 94, 95].

Pyrolyse

Thermische Zersetzung ist eine weitere wichtige Technik, die häufig separat oder in Kombination mit anderen physikalischen Methoden zur MNP-Synthese eingesetzt wird [78]. Es handelt sich um einen endothermen chemischen Zersetzungsprozess, der Wärme nutzt, um die chemischen Bindungen der Verbindung zu brechen, was zur Zersetzung des Precursors führt und diese in eine chemische Reaktion zwingt, die NPs zusammen mit Nebenprodukten in Form von Asche produziert. Durch weitere Verarbeitung der erhaltenen festen Asche werden NPs zurückgewonnen. Pyrolyse wird häufig zur Herstellung von Edelmetall-MNPs verwendet [56, 96, 97]. Ein wesentlicher Nachteil ist der exzessive Energieverbrauch.

Chemische Gasphasenabscheidung

Diese Methode wird auch als Vakuumabscheidungsverfahren bezeichnet, bei der gasförmige Reaktanten als dünner Film auf ein Substrat zusammen mit einer Kombination anderer Gasmoleküle abgeschieden werden, die eine Überhitzung des Substrats fördern. Während der Reaktion kommt das Substrat mit den kombinierten Gasen in Kontakt, was zur Reduktion der Ionen führt [78]. Das Produkt liegt meist in Filmform vor, aus dem die NPs herausgelöst werden müssen. Das Verfahren erzeugt hochreine, uniforme und nicht poröse Nanopartikel; daher ist es in der Elektronik- und Halbleiterindustrie von großer Bedeutung. Trotz dieser enormen Vorteile leidet die Methode unter gravierenden Nachteilen: die Notwendigkeit spezieller Ausrüstung für die Filmherstellung und Reaktionskammern sowie die extreme Toxizität der gasförmigen Nebenprodukte [98].

Bottom-up-Ansätze

Reduktion von Metallionen in Lösung

Dieser Ansatz beinhaltet die Reduktion von Metallionen aus ihren ionischen Salzen mittels verschiedener chemischer Reduktionsmittel in Gegenwart eines Stabilisators unter günstigen Reaktionsparametern (pH, Temperatur etc.). Dieses Verfahren ist die häufigste und zuverlässigste aller Bottom-up-Methoden aufgrund seiner schieren Einfachheit [2, 99]. Eine umfangreiche Liste von Reduktionsmitteln steht zur Verfügung, darunter Natriumcitrat [10, 100], Tanninsäure [99], Natriumborhydrid [101], Hydrazin, Wasserstoff, Lithiumaluminiumhydrid und Alkohole [2, 60]. Ebenso gibt es viele Optionen für Stabilisatoren, die generell in zwei Kategorien fallen: (1) niedermolekulare (z. B. Citrat, SDS, Chitosan) und (2) hochmolekulare (z. B. Stärke, Tween, PVP, PEG, DISPERBYK). Niedermolekulare Stabilisatoren (generell geladene Detergenzien) neigen dazu, die Oberflächenladung der synthetisierten Partikel zu verändern und die abstoßende Kraft zwischen ihnen aufrechtzuerhalten, was Aggregation verhindert; sie schützen jedoch nicht gut gegen Umwelteinflüsse (insbesondere Änderungen der Lagertemperatur und Lichtexposition). Hochmolekulare Stabilisatoren umhüllen die Partikel generell und schützen sie vor Umwelteinflüssen. Sie haben sich als effizienter erwiesen als niedermolekulare Stabilisatoren. Trotz ihrer Vorteile sind ihre biologischen Anwendungen und katalytischen Eigenschaften fraglich, da die dicke Stabilisatorschicht die Auflösung der Partikel verhindert [102, 103]. In Bezug auf Homogenität von Partikelgröße und -form ist die chemische Reduktion der klare Sieger, da die Reduktion durch Änderung der Reaktionsparameter (pH und Verhältnis zwischen Reduktions- und Stabilisator) leicht reguliert werden kann. Tyagi und sein Team produzierten Au-NPs [104] mittels Citratreduktion bei Raumtemperatur, pH 3, mit molaren Verhältnissen von Citrat zu AuCl₃ von 2:1 und 5:1, was Partikel mit durchschnittlicher Größe von 28 bzw. 25 nm ergab. Bei diesem pH-Wert verlief die Reaktion deutlich schneller als bei anderen pH-Werten. Sie zeigten auch, dass Au-NPs verschiedener Formen wie Prismen, Stäbe und Sphären bei pH-Werten von 3 bis 6 (mit 2:1 molarem Verhältnis von Citrat zu AuCl₃) gebildet wurden. In einer anderen Studie von Agnihotri et al. [105], die eine ähnliche Citratreduktion für die Ag-NP-Synthese anwandten, erhielten sie Partikel mit durchschnittlicher Größe von 5 nm bei höchster Natriumcitratkonzentration (4,28 × 10⁻³ mol dm⁻³). Die Größe stieg bei erhöhten Citratkonzentrationen an (auf 100 nm bei 1,77 × 10⁻² mol dm⁻³). Eine weitere Studie von Hou et al. [106] beschrieb die Synthese hochstabiler, monodisperser Pt-Nanopartikel in Form von Hydrosolen für elektrokatalytische Anwendungen.

Mikroemulsion

Die Fertigung von Metall-NPs auf Basis von Mikroemulsionen gewinnt großes Interesse und hat sich als effektive Methode erwiesen, die bessere Kontrolle über die physikalischen Aspekte der synthetisierten Nanopartikel wie Größe und Form bietet. Mikroemulsionen sind im Allgemeinen Gemische zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten in Gegenwart eines Tensids. Diese Systeme weisen ultraniedrige Grenzflächenspannung, große Grenzflächen und thermodynamische Stabilität auf [107]. Die erste mikrobemulsionsbasierte Synthese von NMNPs wurde vom Team Muñoz-Flores et al. [58, 108, 109] beschrieben, die Platin-, Palladium- und Rhodium-NPs synthetisierten. Bei der mikrobemulsionsbasierten NP-Synthese werden zwei separate Mikroemulsionen hergestellt, eine mit dem ionischen Salz und eine mit dem Reduktionsmittel in einer amphiphilen Umgebung. Die Kollision der Emulsionen führt zur Vermischung der Reaktanten und reduziert die Ionen aus dem Salz zu neutralen Atomen, die dann Nanopartikel bilden [2]. Wasser-in-Öl-Systeme werden generell für die Metallsynthese eingesetzt, und da die NPs in Emulsionsform vorliegen, sind sie generell thermodynamisch stabil. Je nach Bedarf kann der Prozess auch auf die Synthese eines spezifischen NP-Typs zugeschnitten werden, indem das Verhältnis von Tensid zu Öl verändert wird. Dies ermöglicht die Kontrolle von Partikelgröße und -form [110].

Elektrochemische Methoden

Elektrochemische Prozesse werden häufig für die Synthese von NMNPs und Nanokompositen eingesetzt, diemostly für ihre katalytischen Eigenschaften genutzt werden und kürzlich auch in biomedizinischen Anwendungen als Biosensoren [111]. Die elektrochemische Methode wurde 1994 von Reetz und Helbig eingeführt, die ein reines Metallblatt von der Anode auflösten, um Metallsalz auf der Kathode einer elektrochemischen Zelle in Gegenwart eines Elektrolyts abzuscheiden und so Nanopartikel zu produzieren [2, 112]. Die Effektivität hängt von verschiedenen Parametern ab wie Art des Reduktionsmittels, Reinheit des Metalls und des Stabilisators, Wahl des Elektrolyts, Konzentrationsverhältnis und Temperatur, die direkt die physikalischen Parameter der NPs beeinflussen [53]. Derzeit wird die Synthese von Nanokompositen (insbesondere mit Graphen) mittels elektrochemischer Methoden der NP-Synthese vorgezogen [113].

Strahlungsinduzierte Synthesemethoden

Diese Methode nutzt ionisierende Strahlung (insbesondere Gammastrahlung sowie Röntgen- und UV-Licht) für die Metallsynthese. Sie hat sich als hocheffizient im Vergleich zu konventionellen NP-Synthesemethoden erwiesen, da sie vollständig reduzierte, hochreine (nebenproduktfreie) Metall-Nanopartikel liefert. Das Thema wurde in mehreren Reviews ausführlich behandelt [59, 66, 114, 115]. In diesem Prozess wird eine wässrige Lösung von Reduktions- und Stabilisator strahlungsinduzierter Radiolyse ausgesetzt, was zur NP-Bildung führt. Während der Bestrahlung spalten sich Wassermoleküle auf, wodurch transiente Produkte entstehen, die als starke Oxidations- oder Reduktionsmittel wirken und Metallionen zu neutralen Metallatomen reduzieren, die weiter zu NPs nukleieren. Synchrotron-Röntgentechniken ermöglichten die Echtzeitüberwachung der Wachstumstrajektorien kolloidaler NPs [116]. Kritische physikalische Parameter für die NP-Synthese sind Strahlendosis, pH des Systems und der verwendete Lösungsmitteltyp [117]. Kürzlich wurde strahlungsinduzierte Synthese zur Herstellung von Tween-80-stabilisierten Ag-NPs für antibakterielle Anwendungen genutzt [118].

Mikrowelleninduzierte grüne Synthesemethoden

Generell ist die mikrowellenunterstützte Synthese auch als One-Pot-Synthese bekannt und beinhaltet die NP-Herstellung aus Salzen und Tensidlösungen. Es handelt sich um eine hochzuverlässige, schnelle und einfache Methode, die Kontrolle über die Morphologie der synthetisierten NPs unterstützt [2]. Das Verfahren basiert auf Dipolwechselwirkung (Moleküle richten sich aus und oszillieren im Takt mit dem oszillierenden elektrischen Feld der Mikrowellen, Kollisionen und Reibung erzeugen Wärme) und ionischer Leitung (das elektrische Feld erzeugt Ionenbewegung, da sich die Moleküle dem sich rasch ändernden Feld anpassen wollen, was瞬时 Überhitzung verursacht), was einen Heizeffekt erzeugt, der zur Reduktion von Metallionen zu NPs führt [119, 120]. Die Mikrowellenbestrahlungsdauer und die Reaktantenkonzentration bestimmen hauptsächlich die morphologischen Parameter der NPs. Kürzlich wurden physikalische Eigenschaften wie Monodispersität und Korngröße superparamagnetischer Magnetit-NPs, die durch mikrowellenunterstützte Synthese hergestellt wurden, durch Injektion von Humat-Polyanion an verschiedenen Synthesestadien kontrolliert [121]. Mikrowelleninduzierte elektrische Entladung wurde auch für die Synthese von Cu-, Ni- und Zn-Nanopartikeln aus Metallpartikeln ohne Lösungsmittel oder Tenside verwendet [122].

Grüne Synthesemethoden

Der übermäßige Chemikalieneinsatz in der chemischen Synthese hat die Zukunft biologischer Anwendungen von NMNPs fast gefährdet. Dies führte zur Erforschung anderer, ökologischer Methoden mit minimalem Chemikalieneinsatz. Grüne Synthesemethoden unter Einsatz von Pflanzenextrakten, Mikroorganismen und Biopolymeren haben sich als potente Kandidaten zur Ersetzung chemischer NP-Synthesemethoden erwiesen (Abb. 2) [123]. Dank einfacherer und grünerer Methoden gab es in den letzten zwei Jahrzehnten einen exponentiellen Anstieg der Publikationen [52, 124, 125].

Biosystem-Synthese von NMNPs

Die Suche nach ökonomisch und ökologisch verträglichen Methoden führte zur Erforschung von Mikroorganismen als potenzielle Kandidaten für die NP-Synthese [126, 127]. Biologische Systeme sind hervorragende Beispiele hierarchischer Organisation von Atomen und Molekülen, was Forscher anzieht, Mikroorganismen als potenzielle Zellfabriken für die Nanomaterialherstellung zu nutzen. Sowohl prokaryotische (Bakterien) als auch eukaryotische (Algen, Pilze, Pflanzen) Arten werden für die grüne NP-Synthese verwendet [123].

Bakterienbasierte NP-Synthese

Bakterien, die wiederholt metallreichen Umgebungen ausgesetzt waren, haben oft Resistenz gegen diese extremen Bedingungen entwickelt [128]. Daher sind Prokaryoten eine natürliche Wahl für die Nanomaterialherstellung. Pseudomonas stutzeri AG259, ein metallakkumulierendes Bakterium aus einer Silbermine, wurde von Klaus et al. [129] zur Erzeugung intrazellulärer metallischer Silbernankristalle bis 200 nm Größe genutzt. Die extrazelluläre NP-Synthese wurde erstmals von Shahverdi et al. [130] berichtet, wo Ag-NPs durch Reduktion wässriger Ag⁺-Ionen durch verschiedene Kultursupernatanten Gram-negativer Bakterien (Enterobacter cloacae, Escherichia coli, Klebsiella pneumonia) produziert wurden. Die Syntheserate war deutlich schneller als die intrazelluläre Synthese, was Ag-NP-Bildung innerhalb von 5 min nach Kontakt der Ag⁺-Ionen mit dem Zellfiltrat ergab. Extrazelluläre Reduktase-Enzyme der Mikroorganismen Bacillus licheniformis und Bacillus clausii reduzieren Silberionen zu elementarem Silber, was nanoskalige Partikel ergibt. Proteinassays dieser Mikroorganismen zeigten, dass das NADH-abhängige Reduktase-Enzym eine entscheidende Rolle in der Bioreduktion von Silberionen zu Silbernanopartikeln spielt. Das Reduktase-Enzym erhält seine Elektronen durch NADH-Oxidation zu NAD⁺. Während der Oxidation wird das Enzym gleichzeitig oxidiert, was zur Reduktion von Silberionen zu Ag-NPs führt. In einigen Fällen kann auch nitratabhängige Reduktase an der Bioreduktion teilnehmen [131–133]. Zudem wurden mehrere bakterielle Stämme (Gram-negativ und Gram-positiv), nämlich A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium und S. aureus, für die extra- und intrazelluläre Biosynthese von Ag-NPs genutzt [123]. Ebenso werden Au- und Pt-NPs durch Akkumulation und Reduktion von Gold- und Platinsalzen durch Bakterien hergestellt. B. licheniformis, B. megaterium, Delftia sp KCM-006, Shewanella sp., Stenotrophomonas maltophilia und Lactobacillus sp. sind Beispiele für Bakterien, die zur Goldnanomaterialherstellung verwendet wurden [134, 135]. Zusätzlich wurden die Bakterien Shewanella sp. und Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011 für die Pt-NP-Präparation genutzt [136, 137]. Obwohl die bakterienvermittelte Synthese vielversprechend in Bezug auf ihre grüne Natur und Kontrolle über Partikelform und -größe (meist bei extrazellulärer Synthese) ist, leidet sie unter Nachteilen wie Handhabungsschwierigkeiten und geringen Ausbeuten.

Pilzbasierte Synthese

In den letzten Jahren hat sich die NMNP-Synthese mit eukaryotischen Mikroorganismen als bessere Alternative zu Prokaryoten erwiesen aufgrund ihrer hohen intrazellulären Metallaufnahmefähigkeit, der Fähigkeit, NPs mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu synthetisieren, der Fähigkeit, große Enzymmengen pro Biomasseeinheit zu produzieren, und der einfachen Biomassehandhabung im Labor [131].

Generell haben Pilze das Potenzial, metallische NPs aufgrund ihrer Metallbioakkumulationskapazität, Toleranz, hoher Bindungskapazität und intrazellulärer Aufnahme wie Bakterien zu synthetisieren [127]. Pilze nutzen sowohl intrazelluläre als auch extrazelluläre Methoden für die NP-Synthese, wobei die extrazelluläre Synthese der am häufigsten berichtete Mechanismus ist aufgrund ihrer Fähigkeit, große Mengen extrazellulärer Enzyme zu produzieren, die Ag⁺-Ionen in nanoskalige Silberpartikel umwandeln [138–140]. Bei der intrazellulären Synthese werden Ag⁺-Ionen durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen negativ geladenen Carboxylatgruppen in Enzymen und positiv geladenen Ag⁺-Ionen an die Zelloberfläche adsorbiert. Ag⁺-Ionen werden später durch Enzyme in der Zellwand zu Ag-NPs reduziert; dabei bilden sich NPs auf der Myzeloberfläche, nicht in Lösung. 2001 wurde die intrazelluläre Herstellung von Au-NPs mit Verticillium sp erstmals von Mukherjee et al. [141] berichtet, wobei Au³⁺-Ionen aus Tetrachlorauarat innerhalb der Pilzzellen reduziert wurden, was Partikel im Größenbereich von 20 nm ergab. Vahabi et al. [142] setzten Trichoderma reesei für die Ag-NP-Synthese ein, wobei das Medium mit Biomasse mit AgNO₃ inkubiert und über 72 h inkubiert wurde, was Ag-NPs im Größenbereich von 5–50 nm ergab. Eine weitere Studie von Vigneshwaran et al. [138] demonstrierte die intrazelluläre Ag-NP-Synthese aus Aspergillus flavus und zeigte, dass Enzyme in der Zellwand hauptsächlich für die Reduktion verantwortlich waren, während Proteine für die Stabilisierung sorgten. Trotz aller Vorteile wie schnellerer Synthese und besserer Kontrolle über Größe und Form der synthetisierten Partikel leiden intrazelluläre Prozesse unter einem massiven Nachteil bei der Produktgewinnung, da NPs an die Zelle binden, was den Prozess schwierig und teuer macht. Daher wird extrazelluläre Synthese bevorzugt. Bei der extrazellulären Synthese wird zellfreie Brühe/Suspension verwendet, was sich als umweltfreundlicher und kosteneffizienter erweist. 2016 nutzte das Team Balakumaran et al. [143] eine zellfreie Suspension von Aspergillus terreus für die Synthese von Au- und Ag-NPs, was sphärische Nanopartikel im Größenbereich von 8–20 nm bzw. 10–50 nm für Ag- und Au-NPs ergab. FTIR-Auswertung der Partikel bestätigte die Bindung von Proteinen an die NPs.

Algenbasierte Synthese

Die algenvermittelte NP-Synthese nutzt vier verschiedene Methoden: (1) ganze Algenzellen werden zu einem gegebenen Wachstumsphasenzeitpunkt mittels Zentrifugation aus ihrem Kulturmedium geerntet und direkt in eine wässrige Lösung des Metallsalzes dispersiert; (2) zellfreier wässriger Extrakt aus frisch geernteten oder lyophilisierten Zellen; (3) wässriger Extraktfiltrat oder Überstand von gemahlenen, frischen oder getrockneten Algen; und (4) wässriges Filtrat eines Algenbrühs. Extraktvermittelte Synthese ist der am häufigsten berichtete algenbasierte Synthese-Mechanismus [131, 144]. Die Anreicherung von elementarem Gold in Form von Au-NPs (9–20 nm) wurde mit einer getrockneten Zellsuspension von Chlorella vulgaris von Hosea et al. festgestellt, die auch einen Anstieg der Goldkonzentration mit der Zeit berichteten, was die Fähigkeit der Algenzellen belegt, Goldionen aus Tetrachlorgoldsaure aufzunehmen und zu reduzieren [145]. Velgosova et al. [146] berichteten über die Synthese hochstabiler Ag-NPs aus Parachlorella kessleri, einem Grünalgen-wässrigen Extrakt, wobei die synthetisierten Partikel im Größenbereich von ca. 20 nm lagen und über ein Jahr hervorragende Stabilität aufwiesen. Andere Algenarten wie Pithophora oedogonia, Sargassum wightii und Plectonema boryanum wurden erfolgreich zur Konstruktion von Ag-, Au- und Pt-NPs eingesetzt [147–149].

Pflanzenbasierte Synthese

Pflanzen- und Pflanzenextrakt-vermittelte Synthese ist die am häufigsten berichtete Synthesemethodik [123, 135, 150]. Diese Syntheseart wird als Phytosynthese bezeichnet. Der Hauptvorteil ist die einfache Produktgewinnung. 2003 illustrierte das Team Gardea-Torresdey et al. erstmals die Metallsynthese (Ag-NPs) mittels eines lebenden Pflanzensystems mit Alfalfasprossen (Medicago sativa) in Agarmedium. Die Wurzeln nehmen Ag aus dem Medium auf und transportieren es entlang des Sprosses im gleichen Oxidationszustand; im Spross ordnen sich die Ag-Atome weiter zu Ag-NPs an. Eine andere Studie nutzte das Alfalfapflanzen-Sekretom zur Reduktion von Au⁺ zu Au⁰, was einem ähnlichen Verfahren zur Au-NP-Herstellung folgte [151]. Pflanzenextrakt-vermittelte Synthese verwendet einen Pflanzenteil (Blätter, Stängel, Wurzeln, Sprossen, Blüten, Rinde, Samen) Extrakt für die NP-Synthese; der Hauptvorteil ist die Fähigkeit des Extrakts, sowohl als Reduktions- als auch Stabilisator zu dienen [152]. Diese Methode hat sich als kosteneffizienteste und benutzerfreundlichste Methode zur Herstellung von Nanopartikeln mit Langzeitstabilität erwiesen. 2016 demonstrierte das Team Balashanmugam et al. die phytogene Ag-NP-Synthese aus Cassia roxburghii wässrigem Blattextrakt. Die synthetisierten Ag-NPs lagen im Größenbereich von ca. 35 nm und wiesen über ein Jahr hervorragende Stabilität auf. Diese Methode ermöglichte auch die Synthese sowohl individueller als auch bimetallischer Partikel. Neem (Azadirachta indica) Blattextrakt wurde von Shankar et al. [153] erfolgreich zur Herstellung von Silber-, Gold- und bimetallischen Au/Ag-Core-Shell-NPs verwendet. Ähnliche Pflanzenextrakte (Rinde, Blatt, Frucht, Gummi) wurden von mehreren Forschern zur Herstellung vielfältiger NMNPs genutzt [153–155]. Derzeit stehen lichtinduzierte Nanopartikel im Fokus, da dieses Verfahren schnellere Synthese während der Sonnenlichtexposition der Mischung ermöglicht. Kumar et al. [156] nutzten Erigeron Bonariensis wässrigen Blattextrakt für die Ag-NP-Synthese, was sphärische und ovale Ag-NPs mit Größenbereich von 13 nm (TEM-Größe) ergab. Die entscheidenden Parameter sind Lichtexpositionsdauer und Pflanzenextraktkonzentration im Reaktionssystem.

Fazit

Verschiedene physikalische, chemische und biologische Methoden wurden für die NP-Synthese entwickelt. Alle diese Verfahren werden basierend auf Nutzen und Anwendbarkeit der Nanoprodukte breit eingesetzt. Jedoch leidet jedes der bestehenden Protokolle unter bestimmten Nachteilen, und die meisten dieser Prozesse lassen sich nicht für die Großproduktion skalieren. Daher bleibt die Entwicklung alternativer Verfahren zur Fertigung von NPs mit kontrollierten und einstellbaren Eigenschaften eine offene Herausforderung.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht anwendbar.

Abkürzungen

NM:

Edelmetalle

NPs:

Nanopartikel

NMNPs:

Edelmetall-Nanopartikel

AuNPs:

Gold-Nanopartikel

AgNPs:

Silber-Nanopartikel

PtNPs:

Platin-Nanopartikel

NMNCs:

Edelmetall-Komposite

PVD:

Physical Vapor Deposition (Physikalische Gasphasenabscheidung)

SDS:

Natriumdodecylsulfat

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

PEG:

Polyethylenglykol

AuCl₃:

Goldchlorid

NADH:

Nicotinamidadenindinukleotid

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie