Optimizing the Dispersion of Ceramic Nanoparticles and Assessing the Role of Aggregation in Mediating Biological Activity

Abstract

The aim of this study is to optimize the sample preparation protocol for dispersing powder-form ceramic nanoparticles (CeNPs) in liquid media by leveraging the power of the design of experiment approach to narrow down potential causes of aggregation and to investigate the subsequent effect of CeNP aggregation on the biological activity of SaOS-2 human osteosarcoma cells. Dispersion of the nanopowders is one of the problems in the nanotechnology field because of the tendency of the nanoparticles for aggregation. Although there are existing dispersion protocols, they offer a one-size-fits-all approach overseeing the unique physicochemical properties of the different nanomaterials. In this study, optimization of the sample preparation protocol for two CeNPs was assessed via the investigation of the most contributing parameters and their synergetic effect through measurements of Z-average and zeta potential. Evaluation of these parameters allowed the development of two different models for each nanomaterial, predicting Z-average and zeta potential for given parameter sets. Through these models, two different sample sets were selected to evaluate the effect of aggregation on the SaOS-2 cell line. Outcomes show that the concentration of nanomaterial, pH, and the presence of additive molecule are three main parameters that affect dispersion stability. It was seen that these parameters can be included in a design to develop an efficient model to predict Z-average and zeta potential for investigated nanomaterials. Moreover, cell viability tests show that there is no significant difference between untreated and nanomaterial-treated cells. The findings promise that tailor-made and reliable dispersion protocols for different nanopowders can be developed via design of experiment.

Bu tezin amacı toz formdaki seramik nanoparçacıkların (CeNPs) sıvı ortamdaki dağılımını optimize etmek için deney dizayn yaklaşımından faydalanılıp CeNP kümelenmesinin potansiyel sebeplerini irdelemek ve CeNP kümelenmesinin etkisi sonucunda SaOS-2 insan osteosarkom biyolojik aktivitesinin araştırılmasıdır. Nanotozların dağılımı, nanoparçacıkların kümelenme eğilimi dolayısıyla nanoteknoloji alanında karşılaşılan problemlerden biridir. Dağılım protokolleri halihazırda mevcut olsa da bu protokoller her bir nanomalzemenin eşsiz fizikokimyasal özelliklerini yok saymakta ve tüm nanomalzemeler için aynı yöntemi önermektedir. Bu çalışmada iki farklı CeNP için örnek hazırlama protokolü, dağılıma en çok etki eden parametreler ve bu parametreler arasındaki sinerjik etki araştırılarak Z-average ve zeta potansiyel ölçümleri aracılığıyla oluşturulmuştur. Bu parametrelerin değerlendirilmesi her nanomalzeme için verilen parametrelere göre Z-average ve zeta potensiyel değerlerini tahmin edebilen iki farklı model oluşturmaya olanak sağlamıştır. Bu modeller aracılığıyla iki farklı parametre seti seçilmiş ve kümelenmenin SaOS-2 hücre canlılığına olası etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar, nanomalzeme konsantrasyonu, pH, ve ilave molekül varlığının dağılım dengesini etkileyen başlıca parametreler olduklarını göstermektedir. Bu parametrelerin seçilmiş nanomalzemeler için Z-average ve zeta potansiyel değerlerini tahmin edebilen verimli bir model oluşturmak için kullanılabileceği gösterilmiştir. Bununla birlikte, hücre canlılığı testleri sonuçlarında kümelenmenin hücre canlılığına etkisinde anlamlı bir farklılığa rastlanmamıştır. Bulgular deney dizaynı yöntemi kullanılarak farklı nanotozlar için güvenilir dağılım protokolleri geliştirilebileceğini göstermektedir.