(Phys.org) —Een klasse van waterminnende, gelei-achtige materialen met toepassingen variërend van het alledaagse, zoals superabsorberende luiervoeringen, voor de verfijnde, zoals zachte contactlenzen, zou kunnen worden aangeboord voor een nieuwe lijn van serieus werk:het testen van de biologische effecten van nanodeeltjes die nu worden bekeken voor een grote verscheidenheid aan toepassingen.

Nieuw onderzoek door wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) toont aan dat driedimensionale steigers gemaakt met cellen en ondersteunende materialen die bekend staan ​​als hydrogels, kunnen dienen als levensechte meetplatforms om te evalueren hoe kleine technische materialen interageren met cellen en weefsels. Hun proof-of-concept-onderzoek suggereert dat hydrogelweefselsteigers een "krachtige brug" kunnen zijn tussen huidige laboratoriumtests en tests die gebruik maken van diermodellen.

Vandaag, laboratoriumtests van nanodeeltjes houden meestal in dat een tweedimensionale laag cellen wordt blootgesteld aan het betreffende materiaal. Behalve dat het twijfelachtige vervangers zijn voor de complexe cellulaire raamwerken die weefsels en organen in het lichaam vormen, deze tests kunnen tegenstrijdige resultaten opleveren, legt analytisch chemicus Elisabeth Mansfield uit, hoofdonderzoeker van de nieuwe NIST-studie.

"Onze studie toont aan dat op hydrogel gebaseerde, tissue-engineering steigers kunnen realistischere omgevingen bieden om door nanodeeltjes beïnvloede celbiologie gedurende langere perioden te bestuderen, "zegt ze. Belangrijk is dat het NIST-onderzoek toont aan dat bij studies waarbij gebruik wordt gemaakt van de scaffold, cellen niet hoeven worden blootgesteld aan nanodeeltjes in doses die de normale blootstellingsniveaus overschrijden.

Hydrogels zijn netwerken van vezelige, vertakte polymeermoleculen met uiteinden die aan watermoleculen vastklikken - zozeer zelfs dat 99,9 procent van een hydrogel uit water kan bestaan. Afhankelijk van de afstand tussen de strengen (de zogenaamde maaswijdte) en andere factoren, hydrogels kunnen de groei en differentiatie van celpopulaties ondersteunen en bevorderen.

Hoewel hydrogels van nature voorkomen - een voorbeeld is kraakbeen - koos het NIST-team ervoor om zijn eigen, waardoor ze controle hebben over de maaswijdte in de steigers die ze hebben gemaakt.

In hun experiment hebben het team gebruikte polyethyleenglycol - een veelgebruikt polymeer dat wordt gebruikt in huidcrèmes, tandpasta, smeermiddelen en andere producten - om drie hydrogels met verschillende maaswijdten te maken. Eén set hydrogels was gevuld met rattencellen die ultrakleine halfgeleidende materialen bevatten die bekend staan ​​als kwantumstippen. Bij blootstelling aan licht, kwantumstippen zenden sterke fluorescerende signalen uit waarmee de onderzoekers het lot van behandelde cellen in de synthetische steigers konden volgen.

De resultaten werden vergeleken met die voor op dezelfde manier behandelde cellen gekweekt in een enkele laag op een substraat, vergelijkbaar met standaard toxicologische laboratoriumtests.

De NIST-onderzoekers ontdekten dat cellen diffundeerden door de hydrogelsteiger, vormen een aanhoudende weefselachtige structuur. Quantum dots bevestigd aan celmembranen en, overuren, werden opgenomen in de cellen.

Driedimensionale steigers worden vaak gebruikt om cellen te testen voor experimenten van meerdere weken, en NIST-onderzoekers ontdekten dat kwantumstippen vier of meer dagen in de steiger kunnen worden gedetecteerd.

als significant, cellen die de hydrogel-steigers bevolkten, werden blootgesteld aan lagere niveaus van kwantumstippen, wat een meer representatief scenario oplevert voor het evalueren van biologische effecten.

Het NIST-team concludeert dat, vergeleken met conventionele celculturen, hydrogel steigers zorgen voor een meer realistische, langerlevende biologische omgeving om te bestuderen hoe technische nanodeeltjes interageren met cellen. In aanvulling, de steigers zullen geschikt zijn voor studies over hoe deze interacties in de loop van de tijd evolueren en hoe de fysieke kenmerken van nanodeeltjes kunnen veranderen.