Synthesis and physicochemical characterization of mesoporous SiO2 nanoparticles

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dc.contributor.author

Das, Dharani

Yang , Yong

O'Brien, Julie S.

Breznan, Dalibor

Nimesh, Surendra

Bernatchez, Stéphane

Hill, Myriam

Sayari, Abdelhamid

Vincent, Renaud

Kumarathasan, Prem

dc.date.accessioned

2024-04-29T15:18:20Z

dc.date.available

2024-04-29T15:18:20Z

dc.date.issued

2014-05-18

dc.description - en

Nanoparticles are very small in size (one billionth of one metre in at least one dimension). Particles in the nano size range exhibit specific properties, which in many cases are different from larger particles of the same materials. These properties vary with nanoparticle size and surface chemistry. The unique properties of nanomaterials have been utilized in the production/manipulation of consumer products to impart novel characteristics. Silica, the most common element (constituent of sand), when prepared in the nano-scale can be used in various technologies, such as catalytic supports for chemical processing, electronics, and in various advanced biomedical applications including medical imaging of tumours. Although silica nanoparticles become very useful at the nano-scale, the properties that make them very useful, may also affect the way they interact with biological systems to change their toxicity profiles. A particular challenge for studying toxicity is the lack of well characterized silica nanoparticles at different sizes and various corresponding surface modified forms. In this study, Health Canada scientists synthesized and characterized a library of silica nanoparticles with approximate particle sizes of 25, 70, 100, 170, and 600 nm. The surfaces of the SiNPs of all sizes were modified with one long chain and one short chain organic group, and the properties of these nanoparticles were studied in both dry and liquid medium, thus producing a fully characterized library of materials whose toxicological properties can be studied in future investigations.

dc.description.abstract - en

There exists a knowledge gap in understanding potential toxicity of mesoporous silica nanoparticles. A critical step in assessing toxicity of these particles is to have a wide size range with different chemistries and physicochemical properties. There are several challenges when synthesizing mesoporous silica nanoparticles over a wide range of sizes including (1) nonuniform synthesis protocols using the same starting materials, (2) the low material yield in a single batch synthesis (especially for particles below 60- 70 nm), and (3)morphological instability during surfactant removal process and surface modifications. In this study, we synthesized a library of mesoporous silica nanoparticles with approximate particle sizes of 25, 70, 100, 170, and 600 nm. Surfaces of the silica nanoparticles were modified with hydrophilic-CH2-(CH2)2-COOH and relatively hydrophobic-CH2-(CH2)10-COOH functional groups. All silica nanoparticles were analysed for morphology, surface functionality, surface area/pore volume, surface organic content, and dispersion characteristics in liquid media. Our analysis revealed the synthesis of a spectrum of monodisperse bare and surface modified mesoporous silica nanoparticles with a narrow particle size distribution and devoid of cocontaminants critical for toxicity studies. Complete physicochemical characterization of these synthetic mesoporous silica nanoparticles will permit systematic toxicology studies for investigation of structure-activity relationships.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Il existe un manque de connaissances dans la compréhension de la toxicité potentielle des nanoparticules de silice mésoporeuse. Une étape cruciale dans l’évaluation de la toxicité de ces particules consiste à disposer d’une large gamme de tailles avec différentes propriétés chimiques et physico-chimiques. Il existe plusieurs défis lors de la synthèse de nanoparticules de silice mésoporeuse sur une large gamme de tailles, notamment (1) des protocoles de synthèse non uniformes utilisant les mêmes matières premières, (2) le faible rendement en matière dans une synthèse en un seul lot (en particulier pour les particules inférieures à 60-70 nm) , et (3) l'instabilité morphologique pendant le processus d'élimination du surfactant et les modifications de surface. Dans cette étude, nous avons synthétisé une bibliothèque de nanoparticules de silice mésoporeuse avec des tailles de particules approximatives de 25, 70, 100, 170 et 600 nm. Les surfaces des nanoparticules de silice ont été modifiées avec des groupes fonctionnels hydrophiles-CH2-(CH2)2-COOH et relativement hydrophobes-CH2-(CH2)10-COOH. Toutes les nanoparticules de silice ont été analysées pour leur morphologie, leur fonctionnalité de surface, leur surface/volume de pores, leur contenu organique en surface et leurs caractéristiques de dispersion dans les milieux liquides. Notre analyse a révélé la synthèse d'un spectre de nanoparticules de silice mésoporeuse monodispersées, nues et modifiées en surface, avec une distribution granulométrique étroite et dépourvues de cocontaminants essentiels pour les études de toxicité. La caractérisation physicochimique complète de ces nanoparticules synthétiques de silice mésoporeuse permettra des études toxicologiques systématiques pour l'étude des relations structure-activité.

dc.description.fosrctranslation - fr

Les nanoparticules sont de très petite taille (un milliardième de mètre dans au moins une dimension). Les particules de taille nanométrique présentent des propriétés spécifiques, qui dans de nombreux cas sont différentes des particules plus grosses des mêmes matériaux. Ces propriétés varient en fonction de la taille des nanoparticules et de la chimie de la surface. Les propriétés uniques des nanomatériaux ont été utilisées dans la production/manipulation de produits de consommation pour leur conférer de nouvelles caractéristiques. La silice, l'élément le plus courant (constituant du sable), lorsqu'elle est préparée à l'échelle nanométrique, peut être utilisée dans diverses technologies, telles que les supports catalytiques pour le traitement chimique, l'électronique et dans diverses applications biomédicales avancées, notamment l'imagerie médicale des tumeurs. Bien que les nanoparticules de silice deviennent très utiles à l’échelle nanométrique, les propriétés qui les rendent très utiles peuvent également affecter la manière dont elles interagissent avec les systèmes biologiques pour modifier leurs profils de toxicité. Un défi particulier pour l’étude de la toxicité est le manque de nanoparticules de silice bien caractérisées de différentes tailles et de diverses formes correspondantes modifiées en surface. Dans cette étude, les scientifiques de Santé Canada ont synthétisé et caractérisé une bibliothèque de nanoparticules de silice d'une taille approximative de 25, 70, 100, 170 et 600 nm. Les surfaces des SiNP de toutes tailles ont été modifiées avec un groupe organique à chaîne longue et un groupe organique à chaîne courte, et les propriétés de ces nanoparticules ont été étudiées en milieu sec et liquide, produisant ainsi une bibliothèque entièrement caractérisée de matériaux dont les propriétés toxicologiques peuvent être étudiées. dans les enquêtes futures.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1155/2014/176015

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2384

dc.language.iso

en

dc.publisher

Hindawi

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.title - en

Synthesis and physicochemical characterization of mesoporous SiO2 nanoparticles

dc.type - en

Article

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