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Using the high-entropy approach to obtain multimetallic nanozymes
Thương Phan Xuân
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Pharmazie
Betreuer*in
Lea Ann Dailey
DOI
10.25365/thesis.77182
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11019.53938.820095-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In den letzten Jahrzehnten haben Nanozyme – „Nanomaterialien mit enzymähnlicher Aktivität“ – aufgrund ihrer Vorteile gegenüber natürlichen Enzymen, wie hohe Stabilität unter extremen Be-dingungen, einfache Synthese, anpassbare Aktivität und niedrige Kosten, erheblich an Aufmerk-samkeit gewonnen. Diese Materialien haben sich als Ersatz für natürliche Enzyme in einer Vielzahl biomedizinischer Anwendungen vielversprechend gezeigt, darunter Biosensoren, Antioxidations-mittel und therapeutische Mittel gegen Tumore. Seit dem bahnbrechenden Bericht über ferro-magnetische Fe3O4-Nanopartikel mit intrinsischer Peroxidase-ähnlicher Aktivität wurden verschie-dene Nanozyme entwickelt, die natürliche Katalysatoren nachahmen. Unter den verschiedenen Typen von Nanozymen sind Nanozyme auf Basis von Metallen und Metalloxiden die am häufigsten untersuchten. Viele von ihnen zeigen jedoch eine geringere katalytische Reaktivität als ihre natürli-chen Gegenstücke, was ihre weit verbreitete Anwendung in der Biomedizin einschränkt. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden verschiedene Strategien untersucht, darunter auch die umfassende Erforschung der Integration mehrerer metallischer Elemente in ein einziges Nanopar-tikel. Als Ergebnis sind verschiedene bi- und trimetallische Nanozyme mit verbesserter katalytischer Leistung entstanden, von denen einige sogar eine multienzymähnliche Aktivität aufweisen. Kürzlich haben hochentropische Materialien, d.h. komplexe Mehrkomponentenlegierungen und -keramiken wie Oxide (fünf oder mehr Elemente) mit einzigartigen Eigenschaften, in zahlreichen Anwendungen in verschiedenen Bereichen als Industriekatalysatoren Verwendung gefunden. Ihre Eignung als Nanozyme wurde jedoch erst kürzlich untersucht. Diese Studie zielt darauf ab, den Hochentropie-Ansatz zu nutzen, um Nanozyme auf Basis von Mul-timetalloxiden zu erzeugen und ihre enzymähnliche Aktivität zu untersuchen. Inspiriert von Fe3O4-Nanopartikeln mit intrinsischer Peroxidase-nachahmender Aktivität wurde eine Bibliothek von 81 Materialien erstellt, bei denen die A- und B-Stellen der Magnetitstruktur, (AA’)(BB’B’’)2O4, mit bis zu sechs verschiedenen Kationen (Cu/Zn/Mg/Fe/Cr/Mn) substituiert wurden. Es stellte sich her-aus, dass eine Erhöhung der Zusammensetzungskomplexität die peroxidase-ähnliche Aktivität ver-stärkte. Insbesondere zeigten Materialien mit Modifikationen sowohl an den AA’- als auch an den BB’B’’-Stellen eine bessere katalytische Leistung als solche mit nur AA’-Modifikationen. Allerdings führten auch Substitutionen einzelner Elemente zu einem drastischen Rückgang der peroxidase-ähnlichen Aktivität. Es wurde auch beobachtet, dass unterschiedliche Herstellungsmethoden die Phaseneigenschaften sowie die katalytische Reaktivität beeinflussen könnten. Darüber hinaus ver-hielt sich die peroxidase-ähnliche Aktivität gegenüber verschiedenen Substraten unterschiedlich. Die mechanistischen Studien zeigten, dass die peroxidase-ähnliche Aktivität auf der Mitwirkung von Superoxidradikalen und dem Elektronentransferprozess beruhte. Basierend auf umfangrei-chen Materialdatensätzen wurde ein generalisiertes lineares Modell unter Verwendung der Ele-mentkonzentration, des Oxidationszustands, der Koordinationszahl, des Wechselwirkungsterms und des inversen Spinell-Indikators als Deskriptoren entwickelt, um Einblicke in die Struktur-Aktivitäts-Beziehung zu gewinnen. Synergistische oder antagonistische binäre Wechselwirkungen zwischen den Elementen wurden identifiziert. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass ein einziger Parameter, der mittlere Wechselwirkungsterm, stark mit der katalytischen Aktivität korreliert. Die-ser Parameter kann als quantitativer Indikator für den „Cocktail-Effekt“ angesehen werden, der zu der überlegenen katalytischen Leistung hochentropischer Materialien beiträgt. Zudem kann er als wertvolles Werkzeug für das rationale Design von Fe3O4-basierten Multimetall-Nanozymen mit verbesserter katalytischer Aktivität dienen. Zweitens, um die Eignung dieser Materialien für biomedizinische Anwendungen zu bewerten, wurden die Materialien durch konventionelle Carbodiimid-Kopplung mit Kaninchen-Immunglobulin (IgG)-Antikörpern konjugiert, und die Aktivität der Konjugate wurde bestimmt. Es wurde festge-stellt, dass die Oberflächenmodifikation mit IgG keine negativen Auswirkungen auf die katalytische Aktivität hatte. Die Antigen-Bindungsstellen von IgG blieben erhalten und zeigten Aktivität im ELI-SA. Schließlich besaßen unsere Materialien auch katalase-ähnliche Aktivität, wie dies auch bei ver-schiedenen Multimetall-Nanozymen in der Literatur beobachtet wurde. Ähnlich wie die Peroxi-dase-nachahmende Aktivität variierte die katalase-ähnliche Aktivität je nach Zusammensetzung. Die duale enzymähnliche Aktivität hochentropischer Multimetall-Nanozyme deutet auf ihr Potenzi-al für In-vivo-Anwendungen hin, wie z.B. die chemodynamische Therapie, die in zukünftigen Arbei-ten von Interesse sein wird.
Abstract
(Englisch)
Over the last decades, nanozymes-“nanomaterials with enzyme-like activity” have gained signifi-cant attention due to their advantages over natural enzymes such as high stability in hash condi-tions, simple synthesis, tunable activity and low cost. These materials have shown promise as sur-rogates to natural enzymes in a wide range of biomedical applications, including biosensors, antiox-idant agents and anti-tumor therapeutics. Following the pioneering report of ferromagnetic Fe3O4 nanoparticles with intrinsic peroxidase like activity, various nanozymes have been demonstrated to mimic natural catalyst. Among the different types of nanozymes, metal and metal oxide-based nanozymes are the most widely studied. However, many of these exhibit lower catalytic reactivity than their natural counterparts, which limits their widespread use in biomedicine. To address this challenge, several strategies have been explored, with extensive investigations in integrating mul-tiple metallic elements into a single nanoparticle. As a result, various bi- and trimetallic nanozymes with enhanced catalytic performance have emerged, some even possessing multienzyme-like ac-tivity. Recently, the high-entropy materials, i.e., complex multicomponent alloys and ceramics like oxides (five or more elements) with unique properties have found use in a numerous applications across a wide variety of field as industrial catalysts. However, their suitability as nanozymes has only recently been explored. This study aims to use the high-entropy approach to generate multimetal oxide-based nanozymes and investigate their enzyme-like activity. Inspired by Fe3O4 nanoparticles with intrinsic peroxidase-mimicking activity, a library of 81 materials, in which the A and B sites of magnetite structure, (AA’)(BB’B’’)2O4, were substituted with up to six different cations (Cu/Zn/Mg/Fe/Cr/Mn), was cre-ated. It was revealed that increasing the compositional complexity enhanced that peroxidase-like activity. Notably, materials with modifications in both AA’ and BB’B’’ sites showed better catalytic performance than those with only AA’ site modifications. However, substitutions of single ele-ments also caused drastic depletion of the peroxidase-like activity. It was also observed that differ-ent methods of production might have an impact on phase property as well as catalytic reactivity. Additionally, peroxidase-like activity behaved differently toward various substrates. The mechanis-tic studies showed that the peroxidase-like activity resulted from the co-contribution of superoxide radicals and the electron transfer process. Based on extensive material subset data, the general-ised linear model using elemental concentration, oxidation state, coordination number, interaction term and inverse spinel indicator as descriptors was developed to gain insights into the structure-activity relationship. Synergistic or antagonistic binary interactions between elements were identi-fied. Furthermore, a single parameter, the mean interaction term, was observed to correlate highly with the catalytic activity. This parameter can be seen as quantitative indicator for the cocktail ef-fect which is believed to contribute to superior catalytic performance of high entropy materials. In addition, it can serve as a valuable tool for the rational design of Fe3O4-based multimetal nanozymes with enhance catalytic activity. Secondly, to evaluate the feasibility of these materials for biomedicine applications, the materials were conjugated with rabbit immunoglobulin (IgG) antibodies through conventional carbodiimide conjugation, and the activity of the conjugates was determined. It was observed that surface modi-fication with IgG did not impose negative effect on the catalytic activity. The antigen-binding sites of IgG were still preserved, presenting activity in the ELISA. Lastly, our materials also possessed the catalase-like activity as observed with various multimetal nanozyme in literature. Similarly to the peroxidase-mimicking activity, the catalase-like activity varied depending on compositions. The dual enzyme-like activity of high entropy multimetal nanozymes suggests their potential use in in-vivo applications, such as chemodynamic therapy, which will be interesting to investigate in future work.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
enzymähnlicher Aktivität Hochentropie Struktur-Aktivitäts-Beziehung ELISA Multimetall-Nanozyme
Autor*innen
Thương Phan Xuân 
Haupttitel (Englisch)
Using the high-entropy approach to obtain multimetallic nanozymes
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
xvi, 97 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Wolfgang Parak ,
Raquel Portela
Klassifikation
51 Werkstoffkunde > 51.30 Werkstoffprüfung. Werkstoffuntersuchung
AC Nummer
AC17383556
Utheses ID
73047
Studienkennzahl
UA | 796 | 610 | 449 |