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Ausstellung

Silbernanopartikel

Silbernanopartikel sind Nanopartikel aus Silber zwischen 1 nm und 100 nm Größe. [1] Während häufig als "Silber" beschrieben wird, bestehen einige aus einem großen Prozentsatz an Silberoxid aufgrund ihres großen Verhältnisses von Oberflächen-zu-Masse-Silberatomen. Zahlreiche Formen von Nanopartikeln können je nach Anwendungsfall konstruiert werden. Häufig verwendet werden sphärische Silber-Nanopartikel, aber auch Diamant-, achteckige und dünne Bleche sind beliebt. [1]

Ihre extrem große Fläche erlaubt die Koordination einer Vielzahl von Liganden . Die Eigenschaften von Silbernanopartikeln, die für menschliche Behandlungen anwendbar sind, werden in Labor- und Tierversuchen untersucht, wobei die potentielle Wirksamkeit, die Toxizität und die Kosten bewertet werden.

Synthetische Methoden

Nasse Chemie [ bearbeiten ]

Die gängigsten Methoden zur Nanopartikel-Synthese fallen unter die Kategorie der Nasschemie oder die Keimbildung von Partikeln innerhalb einer Lösung. Diese Keimbildung tritt auf, wenn ein Silberionenkomplex, üblicherweise AgNO & sub3 ; oder AgClO & sub4 ; , zu kolloidalem Silber in Gegenwart eines Reduktionsmittels reduziert wird . Wenn die Konzentration ausreichend ansteigt, bindet sich die gelösten metallischen Silberionen zusammen, um eine stabile Oberfläche zu bilden. Die Oberfläche ist energetisch ungünstig, wenn der Cluster klein ist, weil die Energie, die durch die Verringerung der Konzentration der gelösten Teilchen gewonnen wird, nicht so hoch ist wie die Energie, die aus der Schaffung einer neuen Oberfläche verloren geht. [2] Wenn der Cluster eine bestimmte Größe erreicht, die als kritischer Radius bekannt ist, wird er energetisch günstig und damit stabil genug, um weiter zu wachsen. Dieser Kern bleibt dann im System und wächst, wenn mehr Silberatome durch die Lösung diffundieren und an die Oberfläche anhängen [3] Wenn die aufgelöste Konzentration des Atomsilbers ausreichend abnimmt, ist es nicht mehr möglich, daß genügend Atome miteinander verbunden sind, um einen Stall zu bilden Kern. Bei dieser Keimbildungsschwelle hängen neue Nanopartikel auf, und das verbleibende gelöste Silber wird durch Diffusion in die wachsenden Nanopartikel in der Lösung absorbiert.

Wenn die Teilchen wachsen, diffundieren andere Moleküle in der Lösung und haften an der Oberfläche. Dieser Prozeß stabilisiert die Oberflächenenergie des Teilchens und blockiert neue Silberionen vom Erreichen der Oberfläche. Die Befestigung dieser Abdeck- / Stabilisierungsmittel verlangsamt und stoppt schließlich das Wachstum des Teilchens. [4] Die gebräuchlichsten Deckelliganden sind Trinatriumcitrat und Polyvinylpyrrolidon (PVP), aber viele andere werden auch unter verschiedenen Bedingungen verwendet, um Partikel mit bestimmten Größen, Formen und Oberflächeneigenschaften zu synthetisieren. [5]

Es gibt viele verschiedene nasse Synthesemethoden, einschließlich der Verwendung von reduzierenden Zuckern, Citratreduktion, Reduktion durch Natriumborhydrid, [6] die Silberspiegelreaktion, [7] das Polyolverfahren, [8] Samenvermitteltes Wachstum [9] und Leicht vermitteltes Wachstum. [10] Jede dieser Methoden oder eine Kombination von Methoden bietet unterschiedliche Grade der Kontrolle über die Größenverteilung sowie Verteilungen von geometrischen Anordnungen des Nanopartikels. [11]

Eine neue, sehr vielversprechende nasschemische Technik wurde von Elsupikhe et al. (2015). [12] Sie haben eine grüne, durch Ultraschall unterstützte Synthese entwickelt. Unter Ultraschallbehandlung werden Silbernanopartikel (AgNP) mit κ-Carrageenan als natürlicher Stabilisator synthetisiert. Die Reaktion wird bei Umgebungstemperatur durchgeführt und erzeugt Silbernanopartikel mit fcc-Kristallstruktur ohne Verunreinigungen. Die Konzentration von κ-Carrageenan wird verwendet, um die Teilchengrößenverteilung der AgNPs zu beeinflussen. [13]

Monosaccharidreduktion [ Bearbeiten ]

Es gibt viele Möglichkeiten, Silber-Nanopartikel zu synthetisieren; Eine Methode ist durch Monosaccharide . Dazu gehören Glukose , Fructose , Maltose , Maltodextrin , etc. aber nicht Saccharose . Es ist auch eine einfache Methode, um Silberionen zurück zu Silber-Nanopartikel zu reduzieren, da es gewöhnlich einen einstufigen Prozess beinhaltet. [14] Es gab Methoden, die darauf hindeuten, dass diese reduzierenden Zucker für die Bildung von Silbernanopartikeln wesentlich sind. Viele Studien zeigten, dass diese Methode der grünen Synthese, speziell mit Cacumen Platycladi-Extrakt, die Reduktion von Silber ermöglicht. Zusätzlich könnte die Größe des Nanopartikels in Abhängigkeit von der Konzentration des Extraktes gesteuert werden. Die Studien zeigen, dass die höheren Konzentrationen mit einer erhöhten Anzahl von Nanopartikeln korrelierten. [14] Aufgrund der Konzentration der Monosaccharide wurden kleinere Nanopartikel bei hohen pH- Werten gebildet.

Eine andere Methode der Silber-Nanopartikel-Synthese beinhaltet die Verwendung von reduzierenden Zuckern mit Alkali-Stärke und Silbernitrat. Die reduzierenden Zucker haben freie Aldehyd- und Ketongruppen , die es ihnen ermöglichen, in Gluconat oxidiert zu werden . [15] Das Monosaccharid muss eine freie Ketongruppe haben, weil es, um als Reduktionsmittel zu wirken, zuerst einer Tautomerisierung unterzogen wird . Darüber hinaus, wenn die Aldehyde gebunden sind, wird es in zyklischer Form stecken und kann nicht als Reduktionsmittel wirken. Zum Beispiel hat Glucose eine Aldehyd- funktionelle Gruppe , die in der Lage ist, Silberkationen zu Silberatomen zu reduzieren und wird dann zu Gluconsäure oxidiert . [16] Die Reaktion für die zu oxidierenden Zucker erfolgt in wässrigen Lösungen. Das Abdeckmittel ist auch nicht vorhanden, wenn es erwärmt wird.

Citratreduktion [ Bearbeiten ]

Eine frühzeitige und sehr häufige Methode zur Synthese von Silbernanopartikeln ist die Citratreduktion. Diese Methode wurde erstmals von MC Lea aufgenommen, der 1889 erfolgreich ein Citrat-stabilisiertes Silberkolloid produzierte. [17] Die Citratreduktion beinhaltet die Reduktion eines Silberquellenpartikels, üblicherweise AgNO 3 oder AgClO 4 , zu kolloidalem Silber unter Verwendung von Trinatriumcitrat , Na 3 C 6 H 5 O 7 [18] Die Synthese wird gewöhnlich bei einer erhöhten Temperatur (~ 100 ° C) durchgeführt, um die Monodispersität (Gleichförmigkeit in Größe und Form) des Teilchens zu maximieren. Bei diesem Verfahren wirkt das Citrat-Ion traditionell sowohl als Reduktionsmittel als auch als Kappligand, [18], was ihn aufgrund seiner relativen Leichtigkeit und kurzen Reaktionszeit zu einem nützlichen Verfahren für die AgNP-Produktion macht. Die gebildeten Silberpartikel können jedoch breite Größenverteilungen aufweisen und gleichzeitig mehrere unterschiedliche Partikelgeometrien bilden. [17] Die Zugabe von stärkeren Reduktionsmitteln zu der Reaktion wird häufig verwendet, um Partikel einer gleichmäßigeren Grße und Form zu synthetisieren. [18]

Reduktion über Natriumborhydrid [ Bearbeiten ]

Die Synthese von Silbernanopartikeln durch Natriumborhydrid (NaBH 4 ) -Reduktion erfolgt durch folgende Reaktion: [19]

Ag + + BH 4 - + 3H 2 O → Ag 0 + B (OH) 3 + 3,5H 2

Die reduzierten Metallatome bilden Nanopartikelkerne. Insgesamt ist dieses Verfahren ähnlich dem obigen Reduktionsverfahren unter Verwendung von Citrat. Der Nutzen der Verwendung von Natriumborhydrid ist die Monodispersität der endgültigen Teilchenpopulation. Der Grund für die erhöhte Monodispersität bei der Verwendung von NaBH 4 ist, dass es ein stärkeres Reduktionsmittel als Citrat ist. Die Auswirkung der Reduktionsmittelstärke kann durch die Inspektion eines LaMer-Diagramms gesehen werden, das die Keimbildung und das Wachstum von Nanopartikeln beschreibt. [20]

Wenn Silbernitrat (AgNO 3 ) durch ein schwaches Reduktionsmittel wie Citrat reduziert wird, ist die Reduktionsrate niedriger, was bedeutet, dass sich neue Kerne bilden und alte Kerne gleichzeitig wachsen. Dies ist der Grund dafür, dass die Citratreaktion eine geringe Monodispersität aufweist. Da NaBH 4 ein viel stärkeres Reduktionsmittel ist, wird die Konzentration von Silbernitrat schnell reduziert, was die Zeit verkürzt, während der neue Kerne bilden und gleichzeitig eine monodisperse Population von Silbernanopartikeln ergeben.

Partikel, die durch Reduktion gebildet werden, müssen ihre Oberflächen stabilisieren, um eine unerwünschte Partikelagglomeration zu verhindern (wenn mehrere Partikel miteinander verbunden sind), Wachstum oder Vergröberung. Die treibende Kraft für diese Phänomene ist die Minimierung der Oberflächenenergie (Nanopartikel haben ein großes Flächen-zu-Volumen-Verhältnis). Diese Tendenz, die Oberflächenenergie im System zu reduzieren, kann durch Hinzufügen von Spezies entgegengewirkt werden, die an der Oberfläche der Nanopartikel adsorbieren und die Aktivität der Partikeloberfläche verringern, wodurch die Partikel-Agglomeration gemäß der DLVO-Theorie verhindert wird und das Wachstum verhindert wird, indem sie Bindungsstellen für Metall einnimmt Atomen Chemische Spezies, die an der Oberfläche von Nanopartikeln adsorbieren, werden Liganden genannt. Einige dieser oberflächenstabilisierenden Spezies sind: NaBH 4 in großen Mengen [19] Poly (vinylpyrrolidon) (PVP), [21] Natriumdodecylsulfat (SDS), [19] [21] und / oder Dodecanthiol. [22]

Sobald die Partikel in Lösung geformt worden sind, müssen sie getrennt und gesammelt werden. Es gibt mehrere allgemeine Methoden, um Nanopartikel aus der Lösung zu entfernen, einschließlich Verdampfen der Lösungsmittelphase [22] oder der Zugabe von Chemikalien zu der Lösung, die die Löslichkeit der Nanopartikel in der Lösung verringern. [23] Beide Methoden zwingen den Niederschlag der Nanopartikel.

Polyol-Prozess [ bearbeiten ]

Das Polyolverfahren ist eine besonders nützliche Methode, da es einen hohen Grad an Kontrolle über die Größe und die Geometrie der resultierenden Nanopartikel ergibt. Im allgemeinen beginnt die Polyolsynthese mit dem Erhitzen einer Polyolverbindung wie Ethylenglykol, 1,5-Pentandiol oder 1,2-Propylenglykol7. Eine Ag + -Spezies und ein Deckmittel werden zugegeben (obwohl das Polyol selbst auch oft das Kappungsmittel ist). Die Ag + -Spezies wird dann durch das Polyol zu kolloidalen Nanopartikeln reduziert. [24] Das Polyolverfahren ist sehr empfindlich gegenüber Reaktionsbedingungen wie Temperatur, chemische Umgebung und Konzentration von Substraten. [25] [26] Daher können durch Ändern dieser Variablen verschiedene Größen und Geometrien für Quasi-Sphären, Pyramiden, Kugeln und Drähte ausgewählt werden. [11] Weitere Untersuchungen haben den Mechanismus für diesen Prozess sowie die daraus resultierenden Geometrien unter verschiedenen Reaktionsbedingungen genauer untersucht. [8] [27]

Seed-vermitteltes Wachstum [ bearbeiten ]

Seed-vermitteltes Wachstum ist ein synthetisches Verfahren, bei dem kleine, stabile Kerne in einer separaten chemischen Umgebung zu einer gewünschten Größe und Form gewachsen werden. Samenvermittelte Methoden bestehen aus zwei verschiedenen Stadien: Keimbildung und Wachstum. Die Variation bestimmter Faktoren in der Synthese (zB Ligand, Keimbildungszeit, Reduktionsmittel etc.), [28] kann die endgültige Größe und Form von Nanopartikeln kontrollieren, wodurch das Saatgut-vermittelte Wachstum zu einem populären synthetischen Ansatz zur Bekämpfung der Morphologie von Nanopartikeln führt.

Die Keimbildungsstufe des samenvermittelten Wachstums besteht aus der Reduktion von Metallionen in einem Vorläufer zu Metallatomen. Um die Größenverteilung der Samen zu kontrollieren, sollte die Periode der Keimbildung für die Monodispersität kurz gemacht werden. Das LaMer-Modell veranschaulicht dieses Konzept. [29] Samen bestehen typischerweise aus kleinen Nanopartikeln, die durch einen Liganden stabilisiert sind. Liganden sind klein, meist organische Moleküle, die an die Oberfläche der Teilchen binden und Samen vor weiterem Wachstum verhindern. Liganden sind notwendig, da sie die Energiebarriere der Koagulation erhöhen und die Agglomeration verhindern. Das Gleichgewicht zwischen attraktiven und abstoßenden Kräften innerhalb kolloidaler Lösungen kann durch die DLVO-Theorie modelliert werden. [30] Ligandenbindungsaffinität und Selektivität können zur Kontrolle von Form und Wachstum verwendet werden. Für die Saatgut-Synthese sollte ein Ligand mit mittlerer bis niedriger Bindungsaffinität gewählt werden, um einen Austausch während der Wachstumsphase zu ermöglichen.

Das Wachstum von Nanoseen beinhaltet das Platzieren der Samen in eine Wachstumslösung. Die Wachstumslösung erfordert eine geringe Konzentration eines Metallvorläufers, Liganden, die sich leicht mit bereits vorhandenen Samenliganden austauschen, und eine schwache oder sehr niedrige Konzentration an Reduktionsmittel. Das Reduktionsmittel darf nicht stark genug sein, um den Metallvorläufer in der Wachstumslösung in Abwesenheit von Samen zu reduzieren. Andernfalls wird die Wachstumslösung neue Keimbildungsstellen bilden, anstatt auf bereits vorhandene (Samen) zu wachsen. [31] Das Wachstum ist das Ergebnis der Konkurrenz zwischen der Oberflächenenergie (die mit dem Wachstum ungünstig zunimmt) und die Massenenergie (die mit dem Wachstum günstig abnimmt). Das Gleichgewicht zwischen der Energetik des Wachstums und der Auflösung ist der Grund für ein einheitliches Wachstum nur bei bereits vorhandenen Samen (und keine neue Keimbildung). [32] Das Wachstum erfolgt durch Zugabe von Metallatomen aus der Wachstumslösung zu den Samen und Ligandenaustausch zwischen den Wachstumsliganden (die eine höhere Bindungsaffinität aufweisen) und die Samenliganden. [33]

Bereich und Richtung des Wachstums können durch nanoseed, Konzentration von Metallvorläufer, Ligand und Reaktionsbedingungen (Wärme, Druck, etc.) gesteuert werden. [34] Die Kontrolle der stöchiometrischen Bedingungen der Wachstumslösung steuert die endgültige Partikelgröße. Zum Beispiel wird eine niedrige Konzentration von Metallsamen zu Metallvorläufer in der Wachstumslösung größere Teilchen erzeugen. Capping-Mittel wurde gezeigt, um die Richtung des Wachstums zu kontrollieren und dadurch zu formen. Liganden können unterschiedliche Affinitäten für die Bindung über ein Teilchen haben. Die differentielle Bindung innerhalb eines Teilchens kann zu einem ungleichen Wachstum über Partikel führen. Dies erzeugt anisotrope Partikel mit nicht-sphärischen Formen, einschließlich Prismen, Würfeln und Stäbchen. [35] [36]

Lichtvermitteltes Wachstum [ bearbeiten ]

Lichtvermittelte Synthesen wurden auch untersucht, wo Licht die Bildung von verschiedenen Silber-Nanopartikel-Morphologien fördern kann. [10] [37]

Silberne Spiegelreaktion [ bearbeiten ]

Die Silberspiegelreaktion beinhaltet die Umwandlung von Silbernitrat zu Ag (NH3) OH. Ag (NH & sub3;) OH wird anschließend in kolloidales Silber unter Verwendung eines aldehydhaltigen Moleküls, wie eines Zuckers, reduziert. Die Silberspiegelreaktion ist wie folgt:

2 (Ag (NH 3 ) 2 ) + + RCHO + 2OH - → RCOOH + 2Ag + 4NH 3 [38]

Die Größe und Form der hergestellten Nanopartikel sind schwer zu kontrollieren und haben oft breite Verteilungen. [39] Diese Methode wird jedoch häufig verwendet, um dünne Beschichtungen von Silberpartikeln auf Oberflächen aufzubringen und weiter zu untersuchen, um gleichmäßigere Nanopartikel herzustellen. [39]

Ionenimplantation [ bearbeiten ]

Ionenimplantation wurde verwendet, um Silbernanopartikel herzustellen, die in Glas , Polyurethan , Silikon , Polyethylen und Poly (methylmethacrylat) eingebettet sind . Partikel werden durch Bombardierung bei hohen Beschleunigungsspannungen in das Substrat eingebettet. Bei einer festen Stromdichte des Ionenstrahls bis zu einem bestimmten Wert hat sich die Größe der eingebetteten Silbernanopartikel innerhalb der Population als monodispers erwiesen [40], wonach nur eine Erhöhung der Ionenkonzentration beobachtet wird. Es wurde festgestellt, daß eine weitere Erhöhung der Ionenstrahldosis sowohl die Nanopartikelgröße als auch die Dichte im Zielsubstrat verringert, während ein Ionenstrahl, der bei einer hohen Beschleunigungsspannung mit einer allmählich ansteigenden Stromdichte arbeitet, zu einer allmählichen Zunahme gefunden hat Die Nanopartikelgröße. Es gibt ein paar konkurrierende Mechanismen, die zu einer Verringerung der Nanopartikelgröße führen können; Zerstörung von NPs bei Kollision, Sputtern der Probenoberfläche, Partikelfusion bei Erwärmung und Dissoziation. [40]

Die Bildung von eingebetteten Nanopartikeln ist komplex und alle kontrollierenden Parameter und Faktoren wurden noch nicht untersucht. Computer-Simulation ist immer noch schwierig, da es Prozesse der Diffusion und Clustering beinhaltet, aber es kann in ein paar verschiedene Teilprozesse wie Implantation, Diffusion und Wachstum zerlegt werden. Bei der Implantation erreichen Silberionen unterschiedliche Tiefen innerhalb des Substrats, die sich einer Gaußschen Verteilung mit dem Mittelpunkt der X-Tiefe nähern . Hochtemperaturbedingungen während der Anfangsphasen der Implantation erhöhen die Verunreinigungsdiffusion im Substrat und begrenzen daher die auftreffende Ionensättigung, die für die Nanopartikelnukleation erforderlich ist. [41] Sowohl die Implantattemperatur als auch die Ionenstrahlstromdichte sind entscheidend für die Kontrolle, um eine monodisperse Nanopartikelgröße und Tiefenverteilung zu erhalten. Eine niedrige Stromdichte kann verwendet werden, um dem thermischen Rühren aus dem Ionenstrahl entgegenzuwirken, und ein Aufbau der Oberflächenladung. Nach der Implantation auf der Oberfläche können die Strahlströme erhöht werden, wenn die Oberflächenleitfähigkeit zunimmt. [41] Die Rate, bei der Verunreinigungen diffus nach der Bildung der Nanopartikel, die als mobile Ionenfalle wirken, schnell abfällt. Dies deutet darauf hin, dass der Beginn des Implantationsprozesses für die Kontrolle des Abstandes und der Tiefe der resultierenden Nanopartikel sowie die Kontrolle der Substrattemperatur und der Ionenstrahldichte entscheidend ist. Die Anwesenheit und die Natur dieser Partikel können mit zahlreichen spektroskopischen und mikroskopischen Instrumenten analysiert werden. [41] Im Substrat synthetisierte Nanopartikel weisen Oberflächenplasmonresonanzen auf, die durch charakteristische Absorptionsbanden belegt sind; Diese Eigenschaften unterliegen in Abhängigkeit von der Nanopartikelgröße und den Oberflächenunebenheiten spektrale Verschiebungen [40], aber die optischen Eigenschaften hängen auch stark vom Substratmaterial des Verbundwerkstoffs ab.

Biologische Synthese [ Bearbeiten ]

Die biologische Synthese von Nanopartikeln lieferte ein Mittel für verbesserte Techniken im Vergleich zu den traditionellen Methoden, die die Verwendung von schädlichen Reduktionsmitteln wie Natriumborhydrid erfordern . Viele dieser Methoden könnten ihre Umweltbelastung verbessern, indem sie diese relativ starken Reduktionsmittel ersetzen. Die Probleme mit der chemischen Produktion von Silber-Nanopartikeln sind in der Regel hohe Kosten und die Langlebigkeit der Partikel ist kurzlebig aufgrund der Aggregation. Die Härte der üblichen chemischen Methoden hat die Verwendung von biologischen Organismen zur Reduzierung von Silberionen in Lösung in kolloidale Nanopartikel ausgelöst. [42] [43]

Darüber hinaus ist eine präzise Kontrolle über Form und Größe während der Nanopartikel-Synthese entscheidend, da die therapeutischen Eigenschaften der NPs eng von solchen Faktoren abhängen. [44] Der Schwerpunkt der Forschung in der biogenen Synthese liegt daher in der Entwicklung von Methoden, die NPs konsequent mit präzisen Eigenschaften reproduzieren. [45] [46]

Pilze und Bakterien [ Bearbeiten ]

Eine allgemeine Darstellung der Synthese und Anwendungen von biogenisch synthetisierten Silbernanopartikeln mit Pflanzenextrakt.

Die Bakterien- und Pilzsynthese von Nanopartikeln ist praktisch, weil Bakterien und Pilze einfach zu handhaben sind und mit Genie- rung gentechnisch verändert werden können. Dies ermöglicht ein Mittel, um Biomoleküle zu entwickeln, die AgNPs unterschiedlicher Formen und Größen in hoher Ausbeute synthetisieren können, was an der Spitze der aktuellen Herausforderungen in der Nanopartikel-Synthese steht. Pilzstämme wie Verticillium und Bakterienstämme wie K. pneumoniae können bei der Synthese von Silbernanopartikeln verwendet werden. [47] Wenn der Pilz / die Bakterien der Lösung zugesetzt wird, wird Protein-Biomasse in die Lösung freigesetzt. [47] Elektronen spendende Reste wie Tryptophan und Tyrosin reduzieren Silberionen in Lösung, die durch Silbernitrat beigetragen wird. [47] Diese Methoden haben sich als wirksame Schaffung stabiler monodisperser Nanopartikel ohne die Verwendung von schädlichen Reduktionsmitteln erwiesen.

Es wurde ein Verfahren zur Reduktion von Silberionen durch die Einführung des Pilzes Fusarium oxysporum gefunden . Die bei diesem Verfahren gebildeten Nanopartikel haben einen Größenbereich zwischen 5 und 15 nm und bestehen aus Silberhydrosol . Die Reduktion der Silbernanopartikel wird vermutlich aus einem enzymatischen Prozess stammen, und die erzeugten Silbernanopartikel sind durch Wechselwirkungen mit Proteinen, die von den Pilzen ausgeschieden werden, extrem stabil.

Bakterien in Silberminen , Pseudomonas stutzeri AG259 gefunden, konnten Silberpartikel in den Formen von Dreiecken und Sechsecken aufbauen. Die Größe dieser Nanopartikel hatte eine große Reichweite und einige von ihnen erreichten Größen, die größer waren als die üblichen Nanometer mit einer Größe von 200 nm. Die Silbernanopartikel wurden in der organischen Matrix der Bakterien gefunden. [48]

Milchsäure produzierende Bakterien wurden verwendet, um Silbernanopartikel herzustellen. Die Bakterien Lactobacillus spp., Pediococcus pentosaceus, Enteroccus faeciumI und Lactococcus garvieae haben sich in der Lage, Silberionen in Silbernanopartikel zu reduzieren. Die Produktion der Nanopartikel findet in der Zelle aus den Wechselwirkungen zwischen den Silberionen und den organischen Verbindungen der Zelle statt. Es wurde festgestellt, dass das Bakterium Lactobacillus fermentum die kleinsten Silbernanopartikel mit einer durchschnittlichen Größe von 11,2 nm erzeugte. Es wurde auch festgestellt, dass dieses Bakterium die Nanopartikel mit der kleinsten Größenverteilung produzierte und die Nanopartikel meist auf der Außenseite der Zellen gefunden wurden. Es wurde auch festgestellt, dass es eine Erhöhung des pH-Wertes erhöhte die Rate, von der die Nanopartikel produziert wurden und die Menge der Partikel produziert wurde. [49]

Pflanzen [ bearbeiten ]

Die Reduktion von Silberionen in Silbernanopartikel wurde auch mit Geranienblättern erreicht. Es wurde gefunden, dass das Hinzufügen von Geranium-Blattextrakt zu Silbernitrat-Lösungen dazu führt, dass ihre Silberionen schnell reduziert werden und dass die erzeugten Nanopartikel besonders stabil sind. Die in Lösung hergestellten Silbernanopartikel hatten einen Größenbereich zwischen 16 und 40 nm. [48]

In einer anderen Studie wurden verschiedene Pflanzenblatt-Extrakte verwendet, um Silberionen zu reduzieren. Es wurde festgestellt , dass aus der Camellia sinensis (grüner Tee), Kiefer , persimmon , Ginko , Magnolie und Platanus , dass der Magnolienblatt Extrakt war am besten bei der Schaffung von Silber Nanopartikel. Diese Methode erzeugte Partikel mit einem dispersen Größenbereich von 15 bis 500 nm, aber es wurde auch festgestellt, dass die Partikelgröße durch Variieren der Reaktionstemperatur gesteuert werden konnte. Die Geschwindigkeit, mit der die Ionen durch den Magnolienblatt-Extrakt reduziert wurden, war vergleichbar mit denen der Verwendung von Chemikalien zu reduzieren. [42] [50]

Die Verwendung von Pflanzen, Mikroben und Pilzen bei der Herstellung von Silber-Nanopartikeln führt zu einer umweltfreundlicheren Produktion von Silber-Nanopartikeln. [43]

Für die Synthese von Silbernanopartikeln mit Amaranthus gangeticus Linn Blatt-Extrakt steht eine grüne Methode zur Verfügung. [51]

Produkte und Funktionalisierung [ bearbeiten ]

Synthetische Protokolle für die Silbernanopartikelherstellung können modifiziert werden, um Silbernanopartikel mit nicht-sphärischen Geometrien herzustellen und auch Nanopartikel mit unterschiedlichen Materialien wie Siliciumdioxid zu funktionalisieren. Die Herstellung von Silbernanopartikeln unterschiedlicher Formen und Oberflächenbeschichtungen ermöglicht eine bessere Kontrolle über ihre größenspezifischen Eigenschaften.

Anisotrope Strukturen [ bearbeiten ]

Silberne Nanopartikel können in einer Vielzahl von nicht-sphärischen (anisotropen) Formen synthetisiert werden. Weil Silber, wie andere Edelmetalle, eine größen- und formabhängige optische Wirkung aufweist, die als lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz (LSPR) an der Nanoskala bekannt ist, erhöht die Fähigkeit, Ag-Nanopartikel in verschiedenen Formen zu synthetisieren, die Fähigkeit, ihr optisches Verhalten zu stimmen. Zum Beispiel wird die Wellenlänge, bei der LSPR für ein Nanopartikel einer Morphologie (z. B. eine Kugel) auftritt, unterschiedlich sein, wenn diese Kugel in eine andere Form umgewandelt wird. Diese Formabhängigkeit ermöglicht es einem silbernen Nanopartikel, eine optische Verstärkung bei einer Reihe unterschiedlicher Wellenlängen zu erfahren, auch wenn die Größe relativ konstant gehalten wird, nur indem sie ihre Form verändert. Die Anwendungen dieser formgestützten Erweiterung des optischen Verhaltens reichen von der Entwicklung empfindlicherer Biosensoren bis hin zur Erhöhung der Langlebigkeit von Textilien. [52] [53]

Dreieckige Nanoprismen [ bearbeiten ]

Dreieckförmige Nanopartikel sind eine kanonische Art der anisotropen Morphologie, die sowohl für Gold als auch für Silber untersucht wurde. [54]

Obwohl viele verschiedene Techniken für die Silber-Nanoprism-Synthese existieren, verwenden mehrere Verfahren einen Saatgut-vermittelten Ansatz, bei dem zunächst kleine (3-5 nm Durchmesser) Silber-Nanopartikel synthetisiert werden, die eine Schablone für formgesteuertes Wachstum in dreieckige Nanostrukturen bieten. [55]

Die Silbersamen werden durch Mischen von Silbernitrat und Natriumcitrat in wässriger Lösung und anschließender Zugabe von Natriumborhydrid synthetisiert. Zusätzliches Silbernitrat wird der Samenlösung bei niedriger Temperatur zugesetzt, und die Prismen werden durch langsames Reduzieren des überschüssigen Silbernitrats unter Verwendung von Ascorbinsäure gezüchtet. [6]

Mit der samenvermittelten Annäherung an die Silber-Nanoprism-Synthese kann die Selektivität einer Form über eine andere teilweise durch den Kappenliganden gesteuert werden. Unter Verwendung von im wesentlichen der gleichen Vorgehensweise, aber das Ändern von Citrat zu Poly (vinylpyrrolidon) (PVP) ergibt Cube und stabförmige Nanostrukturen anstelle von dreieckigen Nanoprismen. [56]

Neben der samenvermittelten Technik können auch Silbernanoprismen unter Verwendung eines photovermittelten Ansatzes synthetisiert werden, bei dem bereits vorhandene sphärische Silbernanopartikel in dreieckige Nanoprisen umgewandelt werden, indem die Reaktionsmischung hohen Intensitäten des Lichts ausgesetzt wird. [57]

Nanocubes [ bearbeiten ]

Silbernanocubes können unter Verwendung von Ethylenglykol als Reduktionsmittel und PVP als Abdeckmittel in einer Polyolsynthesereaktion synthetisiert werden (siehe oben). Eine typische Synthese unter Verwendung dieser Reagenzien beinhaltet die Zugabe von frischem Silbernitrat und PVP zu einer Lösung von Ethylenglykol, die auf 140ºC erhitzt wurde. [58]

Diese Prozedur kann tatsächlich modifiziert werden, um eine andere anisotrope Silbernanostruktur, Nanodrähte, zu erzeugen, indem man die Silbernitratlösung vor der Verwendung in der Synthese nur noch altern. Indem die Silbernitratlösung altert, ist die bei der Synthese gebildete anfängliche Nanostruktur etwas anders als diejenige, die mit frischem Silbernitrat erhalten wird, welches den Wachstumsprozess beeinflusst und damit die Morphologie des Endprodukts. [58]

Beschichtung mit Silica [ bearbeiten ]

Allgemeines Verfahren zur Beschichtung von Kolloidpartikeln in Siliciumdioxid Der erste PVP wird auf die kolloidale Oberfläche absorbiert. Diese Partikel werden in eine Lösung von Ammoniak in Ethanol gegeben. Das Teilchen beginnt dann durch Zugabe von Si (OET4) zu wachsen.

Bei diesem Verfahren wird Polyvinylpyrrolidon (PVP) in Wasser durch Ultraschallbehandlung gelöst und mit Silberkolloidpartikeln gemischt. [1] Das aktive Rühren sorgt dafür, dass das PVP an der Nanopartikeloberfläche adsorbiert ist. [1] Die Zentrifugation trennt die PVP-beschichteten Nanopartikel, die dann in eine Lösung von Ethanol überführt werden, um weiter zentrifugiert zu werden und in eine Lösung von Ammoniak , Ethanol und Si (OEt 4 ) (TES) gegeben zu werden. [1] Das Rühren für zwölf Stunden führt dazu, dass die Siliciumdioxid-Schale gebildet wird, die aus einer umgebenden Schicht aus Siliziumoxid mit einer Etherbindung besteht , die verfügbar ist, um Funktionalität hinzuzufügen. [1] Variieren der Menge an TES ermöglicht unterschiedliche Dicken der gebildeten Schalen. [1] Diese Technik ist aufgrund der Fähigkeit, eine Vielzahl von Funktionalität der exponierten Siliciumdioxidoberfläche hinzuzufügen, beliebt.

Verwenden Sie [ bearbeiten ]

Katalyse [ bearbeiten ]

Die Verwendung von Silber-Nanopartikeln für die Katalyse hat in den letzten Jahren Aufmerksamkeit erlangt. Obwohl die häufigsten Anwendungen für medizinische oder antibakterielle Zwecke sind, wurde gezeigt, dass Silbernanopartikel katalytische Redoxeigenschaften für Farbstoffe, Benzol, Kohlenmonoxid und wahrscheinlich andere Verbindungen zeigen.

HINWEIS: Dieser Absatz ist eine allgemeine Beschreibung der Nanopartikel-Eigenschaften für die Katalyse; Es ist nicht exklusiv für Silbernanopartikel. Die Größe eines Nanopartikels bestimmt die Eigenschaften, die es aufgrund verschiedener Quanteneffekte aufweist, stark. Darüber hinaus spielt die chemische Umgebung des Nanopartikels eine große Rolle bei den katalytischen Eigenschaften. In diesem Sinne ist zu beachten, dass eine heterogene Katalyse durch Adsorption der Eduktspezies an das katalytische Substrat erfolgt. Wenn Polymere , komplexe Liganden oder Tenside verwendet werden, um eine Koaleszenz der Nanopartikel zu verhindern, wird die katalytische Fähigkeit häufig aufgrund einer verminderten Adsorptionsfähigkeit behindert. [59] Diese Verbindungen können aber auch so eingesetzt werden, dass die chemische Umgebung die katalytische Fähigkeit erhöht.

Unterstützt auf Siliciumdioxidkugeln - Verringerung der Farbstoffe [ Bearbeiten ]

Silberne Nanopartikel wurden auf einem Träger aus inerten Siliciumdioxidkugeln synthetisiert. [59] Die Unterstützung spielt praktisch keine Rolle in der katalytischen Fähigkeit und dient als Methode zur Verhinderung der Koaleszenz der Silbernanopartikel in kolloidaler Lösung . So wurden die Silbernanopartikel stabilisiert und es konnte möglich sein, die Fähigkeit zu zeigen, als Elektronenrelais für die Reduktion von Farbstoffen durch Natriumborhydrid zu dienen . [59] Ohne den Silber-Nanopartikel-Katalysator tritt praktisch keine Reaktion zwischen Natriumborhydrid und den verschiedenen Farbstoffen auf : Methylenblau , Eosin und Rose Bengal .

Mesoporöse Aerogel - selektive Oxidation von Benzol [ Bearbeiten ]

Silbernanopartikel, die auf Aerogel getragen werden, sind aufgrund der höheren Anzahl aktiver Standorte vorteilhaft. [60] Die höchste Selektivität für die Oxidation von Benzol zu Phenol wurde bei geringem Gewichtsprozent Silber in der Aerogel-Matrix (1% Ag) beobachtet. Es wird angenommen , dass diese bessere Selektivität ein Ergebnis der höheren Monodispersität innerhalb der Aerogelmatrix der 1% Ag-Probe ist. Jede Gewichtsprozentlösung bildete unterschiedlich große Teilchen mit einer unterschiedlichen Breite des Größenbereichs. [60]

Silberlegierung - synergistische Oxidation von Kohlenmonoxid [ Bearbeiten ]

Au-Ag-Legierungs-Nanopartikel haben eine synergistische Wirkung auf die Oxidation von Kohlenmonoxid (CO). [61] Jeder Reinmetall-Nanopartikel zeigt alleine eine sehr schlechte katalytische Aktivität für die CO- Oxidation ; Zusammen werden die katalytischen Eigenschaften stark verbessert. Es wird vorgeschlagen, dass das Gold als starkes Bindemittel für das Sauerstoffatom wirkt und das Silber als starker Oxidationskatalysator dient, obwohl der genaue Mechanismus noch nicht vollständig verstanden wird. Bei der Synthese in einem Au / Ag-Verhältnis von 3: 1 bis 10: 1 zeigten die legierten Nanopartikel eine vollständige Umwandlung, wenn 1% CO in Luft bei Umgebungstemperatur zugeführt wurde. [61] Interestingly, the size of the alloyed particles did not play a big role in the catalytic ability. It is well known that gold nanoparticles only show catalytic properties for CO when they are ~3 nm in size, but alloyed particles up to 30 nm demonstrated excellent catalytic activity – catalytic activity better than that of gold nanoparticles on active support such as TiO 2 , Fe 2 O 3 , etc. [61]

Light-enhanced [ edit ]

Plasmonic effects have been studied quite extensively. Until recently, there have not been studies investigating the oxidative catalytic enhancement of a nanostructure via excitation of its surface plasmon resonance . The defining feature for enhancing the oxidative catalytic ability has been identified as the ability to convert a beam of light into the form of energetic electrons that can be transferred to adsorbed molecules. [62] The implication of such a feature is that photochemical reactions can be driven by low-intensity continuous light can be coupled with thermal energy .

The coupling of low-intensity continuous light and thermal energy has been performed with silver nanocubes. The important feature of silver nanostructures that are enabling for photocatalysis is their nature to create resonant surface plasmons from light in the visible range. [62]

The addition of light enhancement enabled the particles to perform to the same degree as particles that were heated up to 40 K greater. [62] This is a profound finding when noting that a reduction in temperature of 25 K can increase the catalyst lifetime by nearly tenfold, when comparing the photothermal and thermal process. [62]

Biological research [ edit ]

Researchers have explored the use of silver nanoparticles as carriers for delivering various payloads such as small drug molecules or large biomolecules to specific targets. Once the AgNP has had sufficient time to reach its target, release of the payload could potentially be triggered by an internal or external stimulus. The targeting and accumulation of nanoparticles may provide high payload concentrations at specific target sites and could minimize side effects. [63]

Chemotherapy [ edit ]

The introduction of nanotechnology into medicine is expected to advance diagnostic cancer imaging and the standards for therapeutic drug design. [64] Nanotechnology may uncover insight about the structure, function and organizational level of the biosystem at the nanoscale. [65]

Silver nanoparticles can undergo coating techniques that offer a uniform functionalized surface to which substrates can be added. When the nanoparticle is coated, for example, in silica the surface exists as silicic acid. Substrates can thus be added through stable ether and ester linkages that are not degraded immediately by natural metabolic enzymes . [66] [67] Recent chemotherapeutic applications have designed anti cancer drugs with a photo cleavable linker, [68] such as an ortho-nitrobenzyl bridge, attaching it to the substrate on the nanoparticle surface. [66] The low toxicity nanoparticle complex can remain viable under metabolic attack for the time necessary to be distributed throughout the bodies systems. [66] [69] If a cancerous tumor is being targeted for treatment, ultraviolet light can be introduced over the tumor region. [66] The electromagnetic energy of the light causes the photo responsive linker to break between the drug and the nanoparticle substrate. [66] The drug is now cleaved and released in an unaltered active form to act on the cancerous tumor cells. [66] Advantages anticipated for this method is that the drug is transported without highly toxic compounds, the drug is released without harmful radiation or relying on a specific chemical reaction to occur and the drug can be selectively released at a target tissue. [66] [67] [69]

A second approach is to attach a chemotherapeutic drug directly to the functionalized surface of the silver nanoparticle combined with a nucelophilic species to undergo a displacement reaction. For example, once the nanoparticle drug complex enters or is in the vicinity of the target tissue or cells, a glutathione monoester can be administered to the site. [70] [71] The nucleophilic ester oxygen will attach to the functionalized surface of the nanoparticle through a new ester linkage while the drug is released to its surroundings. [70] [71] The drug is now active and can exert its biological function on the cells immediate to its surroundings limiting non-desirable interactions with other tissues. [70] [71]

Multiple drug resistance [ edit ]

A major cause for the ineffectiveness of current chemotherapy treatments is multiple drug resistance which can arise from several mechanisms. [72]

Nanoparticles can provide a means to overcome MDR. In general, when using a targeting agent to deliver nanocarriers to cancer cells, it is imperative that the agent binds with high selectivity to molecules that are uniquely expressed on the cell surface. Hence NPs can be designed with proteins that specifically detect drug resistant cells with overexpressed transporter proteins on their surface. [73] A pitfall of the commonly used nano-drug delivery systems is that free drugs that are released from the nanocarriers into the cytosol get exposed to the MDR transporters once again, and are exported. To solve this, 8 nm nano crystalline silver particles were modified by the addition of trans-activating transcriptional activator (TAT), derived from the HIV-1 virus, which acts as a cell penetrating peptide (CPP). [74] Generally, AgNP effectiveness is limited due to the lack of efficient cellular uptake; however, CPP-modification has become one of the most efficient methods for improving intracellular delivery of nanoparticles. Once ingested, the export of the AgNP is prevented based on a size exclusion. The concept is simple: the nanoparticles are too large to be effluxed by the MDR transporters, because the efflux function is strictly subjected to the size of its substrates, which is generally limited to a range of 300-2000 Da. Thereby the nanoparticulates remain insusceptible to the efflux, providing a means to accumulate in high concentrations. [ Zitat benötigt ]

Antimicrobial [ edit ]

Introduction of silver into bacterial cells induces a high degree of structural and morphological changes, which can lead to cell death. As the silver nano particles come in contact with the bacteria, they adhere to the cell wall and cell membrane. [75] Once bound, some of the silver passes through to the inside, and interacts with phosphate-containing compounds like DNA and RNA , while another portion adheres to the sulphur-containing proteins on the membrane. [75] The silver-sulphur interactions at the membrane cause the cell wall to undergo structural changes, like the formation of pits and pores. [76] Through these pores, cellular components are released into the extracellular fluid, simply due to the osmotic difference. Within the cell, the integration of silver creates a low molecular weight region where the DNA then condenses. [76] Having DNA in a condensed state inhibits the cell's replication proteins contact with the DNA. Thus the introduction of silver nanoparticles inhibits replication and is sufficient to cause the death of the cell. Further increasing their effect, when silver comes in contact with fluids, it tends to ionize which increases the nanoparticles bactericidal activity. [76] This has been correlated to the suppression of enzymes and inhibited expression of proteins that relate to the cell's ability to produce ATP. [77]

Although it varies for every type of cell proposed, as their cell membrane composition varies greatly, It has been seen that in general, silver nano particles with an average size of 10 nm or less show electronic effects that greatly increase their bactericidal activity. [78] This could also be partly due to the fact that as particle size decreases, reactivity increases due to the surface area to volume ratio increasing. [ Zitat benötigt ]

It has been noted that the introduction of silver nano particles has shown to have synergistic activity with common antibiotics already used today, such as; penicillin G , ampicillin , erythromycin , clindamycin , and vancomycin against E. coli and S. aureus. [79] In medical equipment, it has been shown that silver nano particles drastically lower the bacterial count on devices used. However, the problem arises when the procedure is over and a new one must be done. In the process of washing the instruments a large portion of the silver nano particles become less effective due to the loss of silver ions . They are more commonly used in skin grafts for burn victims as the silver nano particles embedded with the graft provide better antimicrobial activity and result in significantly less scarring of the victim. They also show promising application as water treatment method to form clean potable water. [80]

Silver nanoparticles can prevent bacteria from growing on or adhering to the surface. This can be especially useful in surgical settings where all surfaces in contact with the patient must be sterile. Interestingly, silver nanoparticles can be incorporated on many types of surfaces including metals, plastic, and glass. [81] In medical equipment, it has been shown that silver nano particles lower the bacterial count on devices used compared to old techniques. However, the problem arises when the procedure is over and a new one must be done. In the process of washing the instruments a large portion of the silver nano particles become less effective due to the loss of silver ions . They are more commonly used in skin grafts for burn victims as the silver nano particles embedded with the graft provide better antimicrobial activity and result in significantly less scarring of the victim.These new applications are direct decedents of older practices that used silver nitrate to treat conditions such as skin ulcers. Now, silver nanoparticles are used in bandages and patches to help heal certain burns and wounds. [82]

They also show promising application as water treatment method to form clean potable water. [80] This doesn't sound like much, but water contains numerous diseases and some parts of the world do not have the luxury of clean water, or any at all. It wasn't new to use silver for removing microbes, but this experiment used the carbonate in water to make microbes even more vulnerable to silver. [83] First the scientists of the experiment use the nanopaticles to remove certain pesticides from the water, ones that prove fatal to people if ingested. Several other tests have shown that the silver nanoparticles were capable of removing certain ions in water as well, like iron, lead, and arsenic. But that is not the only reason why the silver nanoparticles are so appealing, they do not require any external force (no electricity of hydrolics) for the reaction to occur. [84]

Consumer Goods [ edit ]

Household applications [ edit ]

There are instances in which silver nanoparticles and colloidal silver are used in consumer goods. Samsung and LG are two major tech companies planning to use antibacterial properties of silver nanoparticles in a multitude of appliances such as air conditioners, washing machines, and refrigerators. [85] For example, both companies claim that the use of silver nanoparticles in washing machines would help to sterilize clothes and water during the washing and rinsing functions, and allow clothes to be cleaned without the need for hot water. [85] [86] The nanoparticles in these appliances are synthesized using electrolysis . Through electrolysis, silver is extracted from metal plates and then turned into silver nanoparticles by a reduction agent. [87] This method avoids the drying, cleaning and re-dispersion processes, which are generally required with alternative colloidal synthesis methods. [87] Importantly, the electrolysis strategy also decreases the production cost of Ag nanoparticles, making these washing machines more affordable to manufacture. [88] Samsung has described the system:

[A] grapefruit-sized device alongside the [washer] tub uses electrical currents to nanoshave two silver plates the size of large chewing gum sticks. Resulting in positively charged silver atoms-silver ions (Ag+)-are injected into the tub during the wash cycle. [88]

It is important to note that Samsung's description of the Ag nanoparticle generating process seems to contradict its advertisement of silver nanoparticles. Instead, the statement indicates that laundry cycles. [87] [88] When clothes are run through the cycle, the intended mode of action is that bacteria contained in the water are sterilized as they interact with the silver present in the washing tub. [86] [88] As a result, these washing machines can provide antibacterial and sterilization benefits on top of conventional washing methods. Samsung has commented on the lifetime of these silver-containing washing machines. The electrolysis of silver generates over 400 billion silver ions during each wash cycle. Given the size of the silver source (two “gum-sized” plate of Ag), Samsung estimates that these plates can last up to 3000 wash cycles. [88]

These plans by Samsung and LG are not overlooked by regulatory agencies. Agencies investigating LG's nanoparticle use include but are not limited to: the US FDA , US EPA , SIAA of Japan, and Korea's Testing and Research Institute for Chemical Industry and FITI Testing & Research Institute. [86] These various agencies plan to regulate silver nanoparticles in appliances. [86] These washing machines are some of the first cases in which the EPA has sought to regulate nanoparticles in consumer goods. LG and Samsung state that the silver gets washed away in the sewer and regulatory agencies worry over what that means for wastewater treatment streams. [88] Currently, the EPA classifies silver nanoparticles as pesticides due to their use as antimicrobial agents in wastewater purification. [85] The washing machines being developed by LG and Samsung do contain a pesticide and have to be registered and tested for safety under the law, particularly the US Federal insecticide, fungicide and rodenticide act. [85] The difficulty, however behind regulating nanotechnology in this manner is that there is no distinct way to measure toxicity. Tim Harper, CEO of nanotechnology consultants Cientifica, explained, "we don't really have the science to prove anything one way or another". [85] The example of these washing machines demonstrates that while nanotechnology using silver nanoparticles in commercial appliances is showing promise, ways to measure toxicity and health hazards to humans, bacteria, or the environment will continue to be hurdle for nanoparticle technology implementation.

Safety [ edit ]

Although silver nanoparticles are widely used in a variety of commercial products, there has only recently been a major effort to study their effects on human health. There have been several studies that describe the in vitro toxicity of silver nanoparticles to a variety of different organs, including the lung, liver, skin, brain, and reproductive organs. [89] The mechanism of the toxicity of silver nanoparticles to human cells appears to be derived from oxidative stress and inflammation that is caused by the generation of reactive oxygen species (ROS) stimulated by either the Ag NPs, Ag ions, or both. [90] [91] [92] [93] [94] For example, Park et al. showed that exposure of a mouse peritoneal macrophage cell line (RAW267.7) to silver nanoparticles decreased the cell viability in a concentration- and time-dependent manner. [93] They further showed that the intracellular reduced glutathionine (GSH), which is a ROS scavenger, decreased to 81.4% of the control group of silver nanoparticles at 1.6 ppm. [93]

Modes of toxicity [ edit ]

Since silver nanoparticles undergo dissolution releasing silver ions, [95] which is well-documented to have toxic effects, [94] [95] [96] there have been several studies that have been conducted to determine whether the toxicity of silver nanoparticles is derived from the release of silver ions or from the nanoparticle itself. Several studies suggest that the toxicity of silver nanoparticles is attributed to their release of silver ions in cells as both silver nanoparticles and silver ions have been reported to have similar cytotoxicity. [92] [93] [97] [98] For example, In some cases it is reported that silver nanoparticles facilitate the release of toxic free silver ions in cells via a "Trojan-horse type mechanism," where the particle enters cells and is then ionized within the cell. [93] However, there have been reports that suggest that a combination of silver nanoparticles and ions is responsible for the toxic effect of silver nanoparticles. Navarro et al. using cysteine ligands as a tool to measure the concentration of free silver in solution, determined that although initially silver ions were 18 times more likely to inhibit the photosynthesis of an algae, Chlamydomanas reinhardtii, but after 2 hours of incubation it was revealed that the algae containing silver nanoparticles were more toxic than just silver ions alone. [99] Furthermore, there are studies that suggest that silver nanoparticles induce toxicity independent of free silver ions. [94] [100] [101] For example, Asharani et al. compared phenotypic defects observed in zebrafish treated with silver nanoparticles and silver ions and determined that the phenotypic defects observed with silver nanoparticle treatment was not observed with silver ion-treated embryos, suggesting that the toxicity of silver nanoparticles are independent of silver ions. [101]

Protein channels and nuclear membrane pores can often be in the size range of 9 nm to 10 nm in diameter. [94] Small silver nanoparticles constructed of this size have the ability to not only pass through the membrane to interact with internal structures but also to be become lodged within the membrane. [94] Silver nanoparticle depositions in the membrane can impact regulation of solutes, exchange of proteins and cell recognition. [94] Exposure to silver nanoparticles has been associated with "inflammatory, oxidative, genotoxic, and cytotoxic consequences"; the silver particulates primarily accumulate in the liver. [102] but have also been shown to be toxic in other organs including the brain. [103] Nano-silver applied to tissue-cultured human cells leads to the formation of free radicals, raising concerns of potential health risks. [104]

  • Allergic reaction: There have been several studies conducted that show a precedence for allerginicity of silver nanoparticles. [105] [106]

  • Argyria and staining: Ingested silver or silver compounds, including colloidal silver , can cause a condition called argyria , a discoloration of the skin and organs.In 2006, there was a case study of a 17-year-old man, who sustained burns to 30% of his body, and experienced a temporary bluish-grey hue after several days of treatment with Acticoat, a brand of wound dressing containing silver nanoparticles. [107] Argyria is the deposition of silver in deep tissues, a condition that cannot happen on a temporary basis, raising the question of whether the cause of the man's discoloration was argyria or even a result of the silver treatment. [108] Silver dressings are known to cause a “transient discoloration” that dissipates in 2–14 days, but not a permanent discoloration. [ Zitat benötigt ]

  • Silzone heart valve: St. Jude Medical released a mechanical heart valve with a silver coated sewing cuff (coated using ion beam-assisted deposition) in 1997. [109] The valve was designed to reduce the instances of endocarditis . The valve was approved for sale in Canada, Europe, the United States, and most other markets around the world. In a post-commercialization study, researchers showed that the valve prevented tissue ingrowth, created paravalvular leakage, valve loosening, and in the worst cases explantation. After 3 years on the market and 36,000 implants, St. Jude discontinued and voluntarily recalled the valve.


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