Geavanceerde benaderingen voor de synthese van edele metaal nanopartikels

Samenvatting

Edele metalen spelen al eeuwenlang een cruciale rol in de menselijke geschiedenis, maar hun integratie met recente vooruitgang in nanotechnologie en materiaalwetenschappen heeft nieuwe onderzoeksmogelijkheden gecreëerd in zowel academische als industriële sectoren. Dit heeft geleid tot een breed scala aan geavanceerde toepassingen, waaronder medische. Edelmetaal nanopartikelen (NMNPs) zijn de afgelopen decennia van groot belang gewes in de biomedicine vanwege hun rol in gepersonaliseerde gezondheidszorg en diagnostiek. Vooral platina, goud en zilver nanopartikelen domineren de lijst dankzij hun diverse industriële toepassingen, zoals antimicrobiële en antivirale middelen, diagnostische hulpmiddelen, medicijndragers en imaging-sonden. Hun superieure weerstand tegen extreme corrosie- en oxidatieomstandigheden wordt zeer gewaardeerd.

In de afgelopen twee decennia is er enorme vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van nieuwe, kosteneffectieve en robuuste synthesemethoden voor NMNPs die materialen opleveren met hoogst afstelbare fysicochemische, optische en thermische eigenschappen, en biochemische functionaliteiten. Hierdoor zijn nieuwe geavanceerde hybride NMNPs met polymeren, graphene, koolstofnanobuisjes, kwantumpuntjes en kern-schil systemen ontwikkeld met nog verbeterde eigenschappen, wat leidt tot uitzonderlijke diagnostische en therapeutische toepassingen. In dit overzichtsartikel vatten we de huidige vooruitgang in de synthese van NMNPs (Au, Ag en Pt) samen.

Inleiding

Edele metalen worden al lang gebruikt, teruggaand tot de eerste Egyptische beschaving, en zijn altijd gezien als teken van macht en rijkdom. Historisch zijn ze te vinden in dure kunstwerken, munten en juwelen [1]. Deze metalen zijn doorgaans duurder door hun schaarste in de aardkorst [2, 3]. Vanwege hun robuuste natuur en weerstand tegen corrosie en oxidatie, worden ze breed toegepast in de luchtvaart, auto-industrie, chemie, energie, elektronica en vooral de gezondheidszorg (van chirurgische instrumenten tot contrastversterkers in imaging) [4, 5].

De afgelopen twee decennia heeft nanotechnologie zich bewzen als de meest veelbelovende toekomsttechnologie met talloze mogelijkheden. Multidisciplinaire steun van academische en industriële sectoren heeft het tot het snelst groeiende veld gemaakt met veelbelovende resultaten [6-8]. De technologische sprong in het synthetiseren en controleren van metalen op nanoschaal biedt immense onderzoeksmogelijkheden voor gepersonaliseerde gezondheidszorg, diagnostiek en therapieën [9-11]. Metaal nanopartikelen (MNPs) zijn het meest bestudeerd vanwege hun indrukwekkende fysicochemische eigenschappen en grote oppervlakte-tot-volume verhouding ten opzichte van hun bulk materiaal. Voor biomedische toepassingen zijn NMNPs een logische keuze vanwege hun weerstand tegen harde omstandigheden. Ze worden toegepast in hooggevoelige diagnostische assays, als thermische ablatie versterkers in radiotherapie, en als medicijn- en genleveringsvoertuigen [3, 12, 13].

De recente fusie van nanotechnologie met materiaalwetenschappen heeft geleid tot nieuwe nanocomposiet materialen met verbeterde thermische, katalytische, elektrische, optische en mechanische eigenschappen ten opzichte van de individuele componenten. Composieten van NMNPs trekken veel onderzoeksinteresse door hun indrukwekkende fysicochemische eigenschappen die een cruciale rol spelen in het modificeren van nanoschaal bouwblokken, met toepassingen in katalyse (vooral elektrokatalyse), optica, nanomedicine en milieubescherming [14-17]. Edele metalen in colloïdale toestand zijn intensief bestudeerd vanwege hun effectiviteit in therapeutica en diagnostiek [2, 18]. Verbeteringen in de synthese van materialen zoals graphene oxide, gereduceerde graphene oxide [14, 19, 20], kwantumpuntjes [21-23] en koolstofnanobuisjes [24-26] hebben bijgedragen aan meer haalbare en effectieve methoden voor de vorming van NMNCs.

Vanwege de kleine grootte van Au en PtNPs en NMNPs, hun grote oppervlakte-tot-volume verhouding en vermogen om hoge elektronenoverdrachtsprocessen te faciliteren, zijn ze ideale kandidaten voor elektrochemische sensoren [27-29]. De optische eigenschappen van NMNPs zijn onderwerp van veel studies, met name Ag en AuNPs. Deze NPs reageren differentieel op verschillende golflengtes licht (uitgebreide verstrooiing van het zichtbare naar het nabij-infrarood gebied met Au), en worden toegepast als signaalversterkers in oppervlakte-versterkte Raman spectroscopie (SERS), gelokaliseerde oppervlakte plasmon resonantie en andere resonantie verstrooiingsspectroscopieën [30-33]. Vanwege de uitgebreid afstelbare optische eigenschappen en biocompatibiliteit van AuNPs, worden ze toegepast in fotothermische therapie en in vivo imaging (fotoacoustische imaging) van tumoren [34-36]. Recentelijk tonen AgNPs ook potentieel in fotothermische therapie, meestal als Ag kern-schil systemen of composieten (met gereduceerde graphene oxide/koolstofnanobuisjes) [37-39]. De biocompatibiliteit van NMNPs met cellen en weefsels opent brede toepassingen in diagnostiek [14]. Biosensoren van NMNPs en NMNCs (vooral graphene) spelen een sleutelrol in verbetering van nauwkeurigheid en specificiteit ten opzichte van bestaande biomoleculaire diagnostische methoden [40, 41]. Over het algemeen worden Au en PtNPs gebruikt in de ontwikkeling van nieuwe biosensoren en sondes vanwege hun vermogen om aan biomoleculen te adsorberen, gecombineerd met hun superieure geleiding en stabiliteit [42-45]. Als gevolg worden NMNPs zelf of in de vorm van NMNCs toegepast als immunosensoren [46], biomoleculen voor detectie [47] en nanoprobes (voor in vivo celimaging, tracking en bestuderen van ziekteprogressie) [2, 6, 48]. Ondanks al deze voordelen blijven er vragen en discussies over hun veiligheidsprofiel in het menselijk lichaam [49-51].

In dit overzicht bieden we een survey van de synthesemethodologieën van NMNPs (Ag, Au en Pt) en NMNCs (met Ag, Au en Pt) samen met hun huidige ontwikkelingen in biomedische toepassingen als therapeutica en diagnostica, inclusief de synergie die NMNCs met NMNPs vertonen in termen van verbeterde prestaties, een actueel hottopic in materiaalonderzoek.

Huidige trends in NMNP synthese

Synthesemethoden van NMNPs

De bereiding van nanopartikels volgt basaal twee benaderingen: (1) top-down (destructieve methode) en (2) bottom-up (constructieve methode) (Fig. 1).

Top-down processen breken bulk materialen op in kleinere deeltjes van nanodimensies met behulp van diverse fysieke en chemische methoden. In de bottom-up benadering worden NPs geproduceerd door zelfassemblage van atomen, moleculen of clusters. Top-down benaderingen omvatten extern gecontroleerde processen van snijden, frezen en vormgeven. Verschillende fysieke methoden zoals pyrolyse [61, 62], nanolithografie [63, 64], thermolyse [65] en stralingsgeïnduceerde methoden [66-68] vallen in deze categorie. Een grote beperking is de imperfecte oppervlaktestructuur van de resulterende MNPs, wat hun fysieke en chemische eigenschappen aanzienlijk beïnvloedt [1]. Bovendien vereist deze methode enorme hoeveelheden energie om hoge druk- en temperaturomstandigheden te handhaven, wat het proces duur maakt.

In bottom-up methoden worden NPs geassembleerd uit atomen, clusters en moleculen met chemische en biologische procedures. Deze benadering biedt betere controle over het eindproduct met meer homogene grootte, vorm en chemische samenstelling, en is over het algemeen goedkoper. De bottom-up benadering is vaak een nat-chemische syntheseprocedure, zoals chemische [69, 70], elektrochemische [71-73], sonochemische [74, 75] en groene synthese [76, 77]. Een grote uitdaging is de zuivering van de gesynthetiseerde deeltjes uit hun reactiemengsel (giftige chemicaliën, organische oplosmiddelen en reagentia), wat twijfel oproept over biomedische toepassingen, behalve voor groene synthesemethoden.

Top-down benaderingen

Sputteren

Sputteren is een veelgebruikt syntheseprotocol dat de depositie van NPs als dunne laag omvat, gegenereerd door ionenbotsing op het substraat, gevolgd door aannealing. Deze methode wordt ook fysieke dampdepositie (PVD) genoemd [78, 79]. De efficiëntie hangt af van factoren zoals laagdikte, substratype, aannealingstijd en -temperatuur, die direct de grootte en vorm van de NPs beïnvloeden [55, 80, 81].

Micropatronering

Micropatronering, een populaire techniek in biosensoren, microarrays, weefseltechniek en celstudies [82], wordt ook gebruikt voor MNP synthese. Deze techniek is vergelijkbaar met een printproces waarbij een materiaal wordt gesneden of gevormd in de gewenste vorm en grootte met een licht- of elektronenstraal voor de synthese van genanostructureerde arrays uit een geschikte precursor. Dit is een lage-temperatuur, niet-vacuüm methode die fotolithografie gebruikt voor MNP synthese, met laser sintering van MNP inkt [83, 84]. Naast fotolithografie zijn tal van lithografietechnieken ontwikkeld zoals scanning, zachte nano-imprinting, colloïdaal, nanosfeer en E-bundel lithografie [2, 57, 85, 86].

Frezen

Frezen is het publiekelijke gezicht van top-down processen, aangezien het direct breken van bulk materialen in micro/nanostructuren omvat. Bij mechanisch frezen wordt de kinetische energie van rollen/bollen overgedragen aan het bulk materiaal, wat resulteert in korrelgroottereduction [87]. Parameters zoals freestype, freesatmosfeer, freesmedia, intensiteit, tijd en temperatuur spelen een cruciale rol in het controleren van vorm en grootte van NPs [88, 89]. Verschillende technieken zijn ontwikkeld om deze beperkingen te overwinnen, waaronder schudmolen, trommelmolens, trilmolens, attritiomolens en planeetmolens.

Laserablatie

Laserablatie wordt beschouwd als een geschikte vervanging voor conventionele chemische methoden vanwege snelle verwerkingstijden, betere controle over deeltjesgrootte en -vorm, en hoge opbrengsten met betere lange-termijn stabiliteit [78, 90-92]. Bij laserablatie wordt een vast oppervlak (meestal een plaat van zuiver metaal) bestraald met een laserbundel, wat leidt tot een lage-flux plasmapluim die uiteindelijk verdampt of sublimeert tot NPs [93]. Bij hogere flux worden materialen omgezet in plasma. Het niet-hoeven verwijderen van overtollige reagentia en de mogelijkheid van metalen nanopartikelsynthese in zowel waterige als organische oplosmiddelen heeft de implementatie van laserablatie in biomedische toepassingen mogelijk gemaakt, zoals de in situ conjugatie van biomoleculen met MNPs, wat effectiever blijkt dan standaardtechnieken [54, 94, 95].

Pyrolyse

Thermische decompositie is een andere veelgebruikte techniek, afzonderlijk of in combinatie met andere fysieke methoden voor MNP synthese [78]. Het is een endotherm chemisch decompositieproces dat warmte gebruikt om chemische bindingen te breken, resulterend in decompositie van de precursor en productie van NPs naast bijproducten als as. Door verdere verwerking van de verkregen vaste as worden NPs hersteld. Pyrolyse wordt vaak gebruikt voor de bereiding van edele MNPs [56, 96, 97]. Overmatig energieverbruik is een van de belangrijkste nadelen.

Chemische dampdepositie

Deze methode, ook bekend als vacuümdepositie, brengt een gasvormige reactant als dunne film op een substraat aan in combinatie met andere gasmoleculen die oververhitting van het substraat bevorderen. Tijdens de reactie komt het substraat in contact met de gecombineerde gassen, wat leidt tot reductie van de ionen [78]. Het product is meestal een film waaruit de NPs geschraapt moeten worden. De methode produceert hoogzuivere, uniforme en niet-porieuze nanopartikels, wat cruciaal is voor de elektronica en halfgeleiderindustrie. Nadelen zijn de vereiste speciale apparatuur en de extreme toxiciteit van gasvormige bijproducten [98].

Bottom-up benaderingen

Reductie van metalionen in oplossing

Deze benadering omvat de reductie van metalionen uit hun ionische zouten met behulp van chemische reducerende middelen in aanwezigheid van een stabiliserend middel onder gunstige reactieparameters (pH, temperatuur, etc.). Dit is de meest voorkomende en betrouwbare methode van alle bottom-up benaderingen vanwege de eenvoud [2, 99]. Er is een uitgebreide lijst van reducerende middelen beschikbaar, waaronder natriumcitraat [10, 100], tanninezuur [99], natriumborohydraat [101], hydrazine, waterstof, lithiumaluminiumhydride en alcoholen [2, 60]. Voor stabiliserende middelen zijn er veel opties, verdeeld in twee categorieën: (1) laag-moleculair (bijv. citraat, SDS, chitosaan) en (2) hoog-moleculair (bijv. zetmeel, tween, PVP, PEG, DISPERBYK). Laag-moleculaire stabilisatoren (geladen detergenten) veranderen de oppervlaktelading en behouden de afstotende kracht, maar beschermen slecht tegen omgevingsstress. Hoog-moleculaire stabilisatoren omhullen de deeltjes en beschermen beter tegen omgevingsstress, maar hun biologische toepassingen en katalytische eigenschappen zijn vraagtekens door de dikke laag die dissolutie verhindert [102, 103]. Voor homogeniteit in deeltjesgrootte en -vorm is chemische reductie de winnaar, omdat reductie gemakkelijk geregeerd kan worden door reactieparameters (pH en verhouding reducerend/stabiliserend middel). Tyagi et al. produceerden AuNPs [104] met citraatreductie bij kamertemperatuur, pH 3, met 2:1 en 5:1 molaire verhoudingen citraat tot AuCl₃, wat deeltjes van gemiddeld 28 en 25 nm opleverde. Bij deze pH was de reactie sneller. Ze toonden ook aan dat AuNPs van verschillende vormen (prismen, staven, spheren) gevormd werden bij pH 3-6 (met 2:1 verhouding). Agnihotri et al. [105] synthetiseerden AgNPs met een vergelijkbare methode en verkreggen deeltjes van 5 nm bij hoogste natriumcitraatconcentratie (4,28 × 10⁻³ mol dm⁻³), met toename tot 100 nm bij hogere concentraties. Hou et al. [106] beschreven de synthese van hoogstabile en monodisperse Pt nanopartikels in hydrosol vorm voor elektrokatalytische toepassingen.

Microemulsie

De fabricage van metaal NPs gebaseerd op microemulsies is een onderwerp van groeiend belang en een effectieve methode voor betere controle over fysieke aspecten zoals grootte en vorm. Microemulsies zijn mengsels van twee onmengbare vloeistoffen in aanwezigheid van een surfactant, met ultralage grensvlakspanning, groot grensvlak en thermodynamische stabiliteit [107]. De eerste microemulsie-gebaseerde synthese van NMNPs werd beschreven door Muñoz-Flores et al. [58, 108, 109] die Pt, Pd en Rh NPs synthetiseerden. Twee aparte microemulsies worden bereid: één met het ionische zout en één met het reducerende middel in een amphifiele omgeving. Botsing tussen de emulsies leidt tot menging van reactanten en reductie van ionen tot neutrale atomen, die NPs vormen [2]. Water-in-olie systemen worden meestal gebruikt, en de NPs zijn thermodynamisch stabiel. Door de verhouding surfactant-tot-olie aan te passen, kan de grootte en vorm gecontroleerd worden [110].

Elektrochemische methoden

Elektrochemische processen worden veel gebruikt voor synthese van NMNPs en nanocomposieten, voornamelijk voor katalytische eigenschappen en recent ook voor biomedische toepassingen als biosensoren [111]. De methode werd in 1994 geïntroduceerd door Reetz en Helbig, die een zuiver metaalblad van de anode oplosten om metaalzout op de kathode van een elektrochemische cel te depositieren in aanwezigheid van een elektrolyt [2, 112]. De effectiviteit hangt af van parameters zoals aard van reducerend middel, zuiverheid van metaal en stabilisator, keuze van elektrolyt, concentratieverhouding en temperatuur [53]. Momenteel is synthese van nanocomposieten (vooral met graphene) met elektrochemische methoden preferabel boven NP synthese [113].

Stralingsgeïnduceerde synthesemethoden

Deze methode gebruikt ioniserende straling (vooral gammastraling, inclusief Röntgen en UV-licht) voor metaal nanopartikelsynthese. Het is hoogst efficiënt vergeleken met conventionele methoden, aangezien het volledig gereduceerde, hoogzuivere (bijproduct-vrije) metaal nanopartikels oplevert [59, 66, 114, 115]. Een waterige oplossing van reducerend en stabiliserend middel wordt blootgesteld aan straling-gemedieerde radiolyse, wat leidt tot NP vorming. Tijdens bestraling breken watermoleculen, wat transiënte producten oplevert die als sterke oxidatie- of reducerende middelen fungeren en metalionen reduceren tot neutrale metaalatomen, die kernvorming ondergaan tot NPs. Synchrotron Röntgen technieken mogelijk maken real-time monitoring van groeitrajecten van colloïdale NPs [116]. Critieke fysieke parameters zijn stralingsdosis, pH van het systeem en type oplosmiddel [117]. Recent werd stralingsgeïnduceerde synthese gebruikt voor productie van tween 80 gestabiliseerde AgNPs voor antibacteriële toepassingen [118].

Microgolf-geïnduceerde groene synthesemethoden

Microgolf-geassisteerde synthese, ook bekend als one-pot synthese, omvat synthese van NPs uit zouten en surfactantoplossingen. Het is een betrouwbare, snelle en eenvoudige methode die controle over morfologie ondersteunt [2]. Het werkt op basis van dipolaire interactie (moleculen lijnen zich uit en oscilleren met het oscillerende elektrisch veld, botsing en wrijving veroorzaken warmte) en iongeleiding (het elektrisch veld genereert ionische beweging, wat instantane oververhitting veroorzaakt), wat resulteert in een verhittingseffect dat metalionen reduceert tot NPs [119, 120]. Microgolfbestraalingstijd en reactantconcentratie bepalen voornamelijk de morfologische parameters. Recent werden fysieke eigenschappen zoals monodispersiteit en korrelgrootte van superparamagnetische magnetiet NPs gecontroleerd door injectie van humaat-polyanion op verschillende stadia [121]. Microgolf-geïnduceerde elektrische ontlading werd ook gebruikt voor synthese van Cu, Ni en Zn nanopartikels uit metalendeeltjes zonder oplosmiddelen of surfactants [122].

Groene synthesemethoden

Het excessieve gebruik van chemicaliën in chemische synthese heeft de toekomst van biologische toepassingen van NMNPs in gevaar gebracht. Dit leidde tot verkenning van ecologische methoden met minimaal chemisch gebruik. Groene synthetische methoden met plantaardige extracten, microorganismen en biopolymeren blijken krachtige kandidaten voor vervanging van chemische NP synthese methoden (Fig. 2) [123]. Door eenvoudigere en groenere methoden is er een exponentiële toename in publicaties de afgelopen twee decennia [52, 124, 125].

Biosysteem synthese van NMNPs

De zoektocht naar economisch en ecologisch gunstige methoden heeft geleid tot verkenning van microorganismen als potentiële kandidaten voor NP synthese [126, 127]. Biologische systemen zijn uitstekende voorbeelden van hiërarchische organisatie van atomen en moleculen, wat onderzoekers aantrekt om microorganismen als potentiële celfabrieken voor nanomateriaalbereiding te gebruizen. Zowel prokaryoten (bacteriën) als eukaryoten (algen, schimmels en planten) worden gebruikt voor groene synthese van NPs [123].

Bacteriën-gebaseerde synthese van nanopartikels

Bacteriën die herhaaldelijk blootgesteld zijn aan metaalrijke omgevingen, ontwikkelen vaak resistentie tegen deze extreme omstandigheden [128]. Prokaryoten zijn daarom een natuurlijke keuze voor nanomateriaalproductie. Pseudomonas stutzeri AG259, een metaalaccumulerende bacterie geïsoleerd uit een zilvermijn, werd gebruikt door Klaus et al. [129] om intracellulaire nanokristallen van metaalzilver tot 200 nm te creëren. Extracellulaire synthese van NPs werd eerst gerapporteerd door Shahverdi et al. [130], waar AgNPs geproduceerd werden door reductie van waterige Ag⁺ ionen door cultuursupernatanten van Gram-negatieve bacteriën (Enterobacter cloacae, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae). De synthesesnelheid was veel sneller dan intracellulaire synthese, met AgNP vorming binnen 5 minuten na contact met celfiltraat. Extracellulaire reductase enzymen van Bacillus licheniformis en Bacillus clausii reduceren zilverionon tot neutraal zilver, resulterend in nanosize deeltjes. Proteïneanalyse toonde aan dat het NADH-afhankelijke reductase enzym een cruciale rol speelt in de bioreductie van zilverionon tot AgNPs. Het reductase enzym krijgt elektronen van NADH oxidatie tot NAD⁺. Tijdens oxidatie wordt het enzym ook geoxideerd, wat resulteert in reductie van zilverionon tot AgNPs. In sommige gevallen kan nitraat-afhankelijke reductase ook deelnemen aan de bioreductie [131-133]. Verschillende bacteriestammen (Gram-negatief en positief), zoals A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium en S. aureus, zijn gebruikt voor zowel extra- als intracellulaire biosynthese van AgNPs [123]. Ook AuNPs en PtNPs worden bereid door accumulatie en reductie van goud- en platina-zouten door bacteriën. B. licheniformis, B. megaterium, Delftia sp KCM-006, Shewanella sp, Stenotrophomonas maltophilia en Lactobacillus sp zijn voorbeelden van bacteriën die goudnanomaterialen produceren [134, 135]. Shewanella sp en Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011 werden gebruikt voor PtNP bereiding [136, 137]. Hoewel bacteriën-gemedieerde synthese veelbelovend is qua groene aard en controle over deeltjesvorm en -grootte (vooral extracellulair), lijdt het aan nadelen zoals hanteringsproblemen en lage opbrengsten.

Schimmel-gebaseerde synthese

In recente jaren is NMNP synthese met eukaryotische microorganismen een betere alternatief voor prokaryoten geworden vanwege hun hoge intracellulaire metaalopnamecapaciteit, vermogen om NPs met verschillende chemische samenstellingen te synthetiseren, hoge enzymproductie per eenheid biomassa en gemakkelijke biomassahantering op laboratoriumschaal [131].

Schimmels hebben potentieel om metalen NPs te synthetiseren door hun metaalbioaccumulatiecapaciteit, tolerantie, hoge bindingscapaciteit en intracellulaire opname zoals bacteriën [127]. Schimmels gebruiken zowel intra- als extracellulaire methoden, waarbij extracellulaire synthese het meest gerapporteerd is door hun vermogen om grote hoeveelheden extracellulaire enzymen te produceren die Ag⁺ ionen omzetten in nanosilver deeltjes [138-140]. Bij intracellulaire synthese adsorberen Ag⁺ ionen aan het celoppervlak via electrostatische interactie tussen negatief geladen carboxylaatgroepen in enzymen en positief geladen Ag⁺ ionen. Ag⁺ ionen worden later gereduceerd door enzymen in de celwand tot AgNPs, waarbij NPs op het oppervlak van mycellen gevormd worden, niet in oplossing. In 2001 werd de intracellulaire bereiding van AuNPs met Verticillium sp eerste keer gerapporteerd door Mukherjee et al. [141], waar Au³⁺ ionen uit tetrachloroauraten gereduceerd werden binnen schimmelcellen, resulterend in deeltjes van 20 nm. Vahabi et al. [142] gebruikten Trichoderma reesei voor AgNP synthese, met media geïnoculeerd met AgNO₃ en 72u geïncubeerd, resulterend in AgNPs van 5-50 nm. Vigneshwaran et al. [138] toonden intracellulaire synthese van AgNPs uit Aspergillus flavus aan, waarbij enzymen in de celwand verantwoordelijk waren voor reductie en eiwitten voor stabilisatie. Ondanks voordelen zoals snellere synthese en betere controle over grootte en vorm, lijden intracellulaire processen aan een groot nadeel: productherstel is moeilijk en duur, omdat NPs aan de cel binden. Extracellulaire synthese wordt daarom bevorzugd. Bij extracellulaire synthese wordt celvrij bouillon/suspensie gebruikt, wat milieuvriendelijker en kosteneffectiever is. In 2016 gebruikte Balakumaran et al. [143] een celvrije suspensie van Aspergillus terreus voor synthese van zowel Au als AgNPs, resulterend in spherische deeltjes van 8-20 nm (Ag) en 10-50 nm (Au). FTIR bevestigde binding van eiwitten aan de NPs.

Algen-gebaseerde synthese

Algen-gemedieerde NP synthese gebruikt vier methoden: (1) hele algencellen geoogst uit cultuurmedia en gedispergeerd in waterige metaalzoutoplossing; (2) celvrije waterige extract van vers geoogste of lyofilisierte cellen; (3) waterig extract filtraat of supernatans van gemalen, verse of gedroogde algen; (4) waterig filtraat van algenbouillon. Extract-gemedieerde synthese is het meest gerapporteerde mechanisme [131, 144]. Accumulatie van elementair goud als AuNPs (9-20 nm) werd waargenomen met gedroogde celsuspensie van Chlorella vulgaris door Hosea et al., die ook toegenomen goudconcentratie met tijd rapporteerden, bewijzend de capaciteit van algencellen om goudionon op te nemen en te reduceren uit tetrachloroaurijnzuur [145]. Velgosova et al. [146] rapporteerden synthese van hoogstabile AgNPs uit Parachlorella kessleri, een groene algen waterige extract, met deeltjes van ~20 nm en uitstekende stabiliteit over een jaar. Andere algensoorten zoals Pithophora oedogonia, Sargassum wightii en Plectonema boryanum zijn succesvol gebruikt voor Ag, Au en PtNPs respectievelijk [147-149].

Plant-gebaseerde synthese

Plant- en plant extract-gemedieerde synthese is de meest gerapporteerde methodologie [123, 135, 150]. Dit heet fytosynthese. Het grote voordeel is gemakkelijk productherstel. In 2003 toonde Gardea-Torresdey et al. eerste synthese van metaal nanopartikels (AgNPs) met een levend plantsysteem met lucernespruiten (Medicago sativa) in agarmedium. De wortels absorberen Ag uit het medium en transporteren het in dezelfde oxidatietoestand langs de scheut, waar Ag atomen zich rangschikken tot AgNPs. Een andere studie gebruikte het lucernesecretome om Au⁺ te reduceren tot Au⁰, met vergelijkbare procedure voor AuNPs [151]. Plant-extract-gemedieerde synthese gebruikt een plantcomponent (bladeren, stengels, wortels, scheuten, bloemen, bast, zaden) extract voor NP synthese, waarbij het extract zowel reducerend als stabiliserend middel fungeert [152]. Deze methode is de meest kostenefficiënte en gebruiksvriendelijke voor nanopartikels met lange-termijn stabiliteit. In 2016 toonde Balashanmugam et al. fytogene synthese van AgNPs uit Cassia roxburghii waterig bladextract, met deeltjes van ~35 nm en uitstekende stabiliteit over een jaar. Deze methode faciliteert ook synthese van zowel individuele als bimetallische deeltjes. Neem (Azadirachta indica) bladextract werd succesvol gebruikt door Shankar et al. [153] voor zilver, goud en bimetallische Au/Ag kern-schil NPs. Vergelijkbare plantextracten (bast, blad, vrucht, gom) zijn door verschillende onderzoekers gebruikt voor diverse NMNPs [153-155]. Momenteel staan licht-geïnduceerde nanopartikels in het zonnetje, omdat deze procedure snellere synthese faciliteert tijdens blootstelling aan zonlicht. Kumar et al. [156] gebruikten Erigeron bonariensis waterig bladextract voor zilver nanopartikels, wat sferische en ovaalvormige AgNPs van 13 nm (TEM grootte) opleverde. Cruciale parameters zijn lichtexpositietijd en plantextractconcentratie in het reactsysteem.

Conclusie

Verschillende fysieke, chemische en biologische methoden zijn ontwikkeld voor NP synthese. Al deze processen worden breed gebruikt gebaseerd op de bruikbaarheid en toepasbaarheid van de nanoproducten. Elk van de bestaande protocollen lijdt echter aan bepaalde nadelen en de meeste processen kunnen niet opgeschaald worden voor grootschalige productie. De ontwikkeling van alternatieve processen om NPs met gecontroleerde en afstelbare eigenschappen te fabriceren, blijft een open uitdaging.

Beschikbaarheid van data en materialen

Niet van toepassing.

Afkortingen

NM:

Edele metalen

NPs:

Nanopartikels

NMNPs:

Edele metaal nanopartikels

AuNPs:

Goud nanopartikels

AgNPs:

Zilver nanopartikels

PtNPs:

Platina nanopartikels

NMNCs:

Edele metaal composieten

PVD:

Fysieke dampdepositie

SDS:

Natriumdodecylsulfate

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

PEG:

Polyethyleenglycol

AuCl₃:

Goudchloride

NADH:

Nicotinamide adenine dinucleotide

TEM:

Transmissie elektronenmicroscopie