Geconstrueerde nanomaterialen, gewaardeerd om hun unieke halfgeleidende eigenschappen, komen al veel voor in alledaagse consumentenproducten — van zonnefilters, cosmetica en verf tot textiel en zonnebatterijen - en economische voorspellers voorspellen dat de industrie de komende jaren zal uitgroeien tot een omzet van $ 1 biljoen. Maar hoe veilig zijn deze materialen?

Omdat de halfgeleidereigenschappen van metaaloxide-nanomaterialen zich mogelijk kunnen vertalen in gezondheidsrisico's voor de mens, dieren en het milieu, het is noodzakelijk, onderzoekers zeggen, om een ​​methode te ontwikkelen om deze materialen snel te testen om de potentiële gevaren te bepalen en passende preventieve maatregelen te nemen.

Daartoe, UCLA-onderzoekers en hun collega's hebben een nieuwe screeningtechnologie ontwikkeld waarmee grote partijen van deze metaaloxide-nanomaterialen snel kunnen worden beoordeeld, op basis van hun vermogen om bepaalde biologische reacties in cellen op te wekken als gevolg van hun halfgeleidereigenschappen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

Net zoals halfgeleiders elektronen kunnen injecteren of extraheren uit industriële materialen, halfgeleidende metaaloxide-nanomaterialen kunnen een elektronenoverdrachtseffect hebben wanneer ze in contact komen met menselijke cellen die elektronisch actieve moleculen bevatten, vonden de onderzoekers. En hoewel deze oxidatie-reductiereacties nuttig zijn in de industrie, wanneer ze in het lichaam voorkomen, kunnen ze zuurstofradicalen genereren, dit zijn zeer reactieve zuurstofmoleculen die cellen beschadigen, acute ontsteking in de longen van blootgestelde mensen en dieren veroorzaken.

In een belangrijke bevinding, het onderzoeksteam voorspelde dat metaaloxide-nanomaterialen en elektronisch actieve moleculen in het lichaam vergelijkbare elektronenenergieniveaus moeten hebben - in het geval van het nanomateriaal band-gap-energie genoemd - om deze gevaarlijke elektronenoverdracht te laten plaatsvinden en oxidatieve schade te veroorzaken.

Op basis van deze voorspelling de onderzoekers screenden 24 metaaloxide-nanodeeltjes om te bepalen welke het meest waarschijnlijk tot toxiciteit zouden leiden bij blootstelling in het echte leven. Met behulp van een high-throughput screening-assay (uitgevoerd door robotapparatuur en een geautomatiseerde beeldopnamemicroscoop), ze testten de twee dozijn materialen in een kwestie van een paar uur op verschillende celtypen en ontdekten dat zes van hen - degenen die eerder hadden voldaan aan de voorspellende criteria van de onderzoekers om giftig te zijn op basis van hun band-gap-energie - leidden tot oxidatieve schade in cellen.

Het team testte de nanomaterialen vervolgens in goed georkestreerde dierstudies en ontdekte dat alleen die materialen die tot oxidatieve schade in cellen hadden geleid, ontstekingen in de longen van muizen konden veroorzaken. bevestiging van de band-gap-hypothese van de onderzoekers.

"Het vermogen om dergelijke voorspellingen te doen, beginnend met cellen in een reageerbuis, en extrapolatie van de resultaten naar intacte dieren en mensen die zijn blootgesteld aan potentieel gevaarlijke metaaloxiden, is een enorme stap voorwaarts in de veiligheidsscreening van nanomaterialen, " zei senior auteur Dr. Andre Nel, hoofd van de afdeling nanogeneeskunde aan de David Geffen School of Medicine aan de UCLA en het California NanoSystems Institute aan de UCLA en directeur van het University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology.

Volgens de onderzoekers is deze nieuwe veiligheidsbeoordelingstechnologie heeft het potentieel om traditionele testen te vervangen, die momenteel één materiaal tegelijk wordt uitgevoerd in arbeidsintensieve dierstudies met behulp van een "afwachtende" benadering die niet onthult waarom de betrokken nanomaterialen gevaarlijk zouden kunnen zijn. De voorspellende benadering en screeningtechniek van het UCLA-team zouden het vermogen om grote aantallen opkomende nieuwe nanomaterialen te beoordelen kunnen versnellen in plaats van te wachten tot hun toxicologische potentieel zich manifesteert voordat actie wordt ondernomen.

"In staat zijn om metaaloxide elektronische eigenschappen te integreren in een voorspellend en high-throughput wetenschappelijk platform in dit werk zou een belangrijke rol kunnen spelen bij het bevorderen van veiligheidstests van nanomaterialen in de 21e eeuw tot een preventieve strategie, in plaats van te wachten tot er zich problemen voordoen, ' zei Nel.

Een ander groot voordeel van een benadering die is gebaseerd op de beoordeling van de eigenschappen van nanomaterialen, is dat men die eigenschappen kan identificeren die mogelijk opnieuw kunnen worden ontworpen om de materialen minder gevaarlijk te maken, aldus de onderzoekers.

De implementatie van high-throughput screening leidt ook tot de ontwikkeling van computertools die helpen bij het maken van voorspellingen; in de toekomst, een groot deel van de veiligheidsbeoordeling van nanomaterialen zou kunnen worden uitgevoerd met behulp van computerprogramma's die slimme modellerings- en simulatieprocedures uitvoeren op basis van elektronische eigenschappen.

"We kunnen nu het testen van een belangrijke klasse van technische nanomaterialen verder verfijnen tot het niveau waarop regelgevende instanties gebruik kunnen maken van onze voorspellingen en testmethoden, " zei Haiyuan Zhang, een postdoctoraal onderzoeker bij het Center for Environmental Implicatioons of Nanotechnology aan UCLA's CNSI en de hoofdauteur van de studie.