Veel door de mens gemaakte verontreinigende stoffen in het milieu zijn bestand tegen afbraak door natuurlijke processen, en hormonale en andere systemen bij zoogdieren en andere dieren verstoren. Het verwijderen van deze giftige stoffen - waaronder pesticiden en hormoonontregelaars zoals bisfenol A (BPA) - met bestaande methoden is vaak duur en tijdrovend.

In een nieuw artikel dat deze week is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderzoekers van MIT en de Federale Universiteit van Goiás in Brazilië demonstreren een nieuwe methode voor het gebruik van nanodeeltjes en ultraviolet (UV) licht om snel een verscheidenheid aan verontreinigingen uit bodem en water te isoleren en te extraheren.

Ferdinand Brandl en Nicolas Bertrand, de twee hoofdauteurs, zijn voormalige postdocs in het laboratorium van Robert Langer, de David H. Koch Institute Professor aan het Koch Institute for Integrative Cancer Research van het MIT. (Eliana Martins Lima, van de Federale Universiteit van Goiás, is de andere co-auteur.) Zowel Brandl als Bertrand zijn opgeleid als apotheker, en beschrijven hun ontdekking als een gelukkig toeval:ze probeerden aanvankelijk nanodeeltjes te ontwikkelen die konden worden gebruikt om medicijnen aan kankercellen te leveren.

Brandl had eerder polymeren gesynthetiseerd die konden worden gesplitst door blootstelling aan UV-licht. Maar hij en Bertrand kwamen hun geschiktheid voor medicijnafgifte in twijfel trekken, aangezien UV-licht schadelijk kan zijn voor weefsel en cellen, en dringt niet door de huid. Toen ze hoorden dat UV-licht werd gebruikt om water te desinfecteren in bepaalde zuiveringsinstallaties, ze begonnen een andere vraag te stellen.

"We dachten dat als ze al UV-licht gebruiken, misschien kunnen ze onze deeltjes ook gebruiken, " zegt Brandl. "Toen kwamen we op het idee om onze deeltjes te gebruiken om giftige chemicaliën te verwijderen, verontreinigende stoffen, of hormonen uit water, omdat we zagen dat de deeltjes aggregeren als je ze bestraalt met UV-licht."

Een val voor 'watervrezende' vervuiling

De onderzoekers synthetiseerden polymeren uit polyethyleenglycol, een veelgebruikte verbinding die wordt aangetroffen in laxeermiddelen, tandpasta, en oogdruppels en goedgekeurd door de Food and Drug Administration als voedseladditief, en polymelkzuur, een biologisch afbreekbaar plastic dat wordt gebruikt in composteerbare bekers en glaswerk.

Nanodeeltjes gemaakt van deze polymeren hebben een hydrofobe kern en een hydrofiele schil. Door krachten op moleculaire schaal, in een oplossing bewegen hydrofobe vervuilende moleculen naar de hydrofobe nanodeeltjes, en adsorberen op hun oppervlak, waar ze effectief "gevangen" raken. Hetzelfde fenomeen doet zich voor wanneer spaghettisaus vlekken maakt op het oppervlak van plastic bakjes, rood worden:in dat geval, zowel het plastic als de op olie gebaseerde saus zijn hydrofoob en werken samen.

Als je alleen gelaten wordt, deze nanomaterialen zouden gelijkmatig in water gesuspendeerd en gedispergeerd blijven. Maar bij blootstelling aan UV-licht, de stabiliserende buitenste schil van de deeltjes wordt afgeworpen, en - nu "verrijkt" door de verontreinigende stoffen - vormen ze grotere aggregaten die vervolgens kunnen worden verwijderd door middel van filtratie, afzetting, of andere methoden.

De onderzoekers gebruikten de methode om ftalaten te extraheren, hormoonverstorende chemicaliën die worden gebruikt om kunststoffen zachter te maken, uit afvalwater; BPA, een andere hormoonontregelende synthetische verbinding die veel wordt gebruikt in plastic flessen en andere harsachtige consumptiegoederen, van monsters van thermisch printpapier; en polycyclische aromatische koolwaterstoffen, kankerverwekkende verbindingen gevormd door onvolledige verbranding van brandstoffen, uit verontreinigde grond.

Het proces is onomkeerbaar en de polymeren zijn biologisch afbreekbaar, het minimaliseren van de risico's van het achterblijven van giftige secundaire producten, zeggen, een waterlichaam. "Zodra ze overschakelen naar deze macrosituatie waar ze grote klompen zijn, "Bertrand zegt, "je zult ze niet meer terug kunnen brengen naar de nano-staat."

De fundamentele doorbraak, volgens de onderzoekers bevestigde dat kleine moleculen inderdaad passief adsorberen op het oppervlak van nanodeeltjes.

"Voor zover wij weten, het is de eerste keer dat de interacties van kleine moleculen met voorgevormde nanodeeltjes direct kunnen worden gemeten, ’ schrijven ze in Nature Communications.

Nano-reiniging

Nog spannender, ze zeggen, is het brede scala aan mogelijke toepassingen, van milieusanering tot medische analyse.

De polymeren worden bij kamertemperatuur gesynthetiseerd, en hoeven niet speciaal voorbereid te zijn om specifieke verbindingen aan te pakken; ze zijn breed toepasbaar op allerlei hydrofobe chemicaliën en moleculen.

"De interacties die we gebruiken om de verontreinigende stoffen te verwijderen, zijn niet-specifiek, ' zegt Brandl. 'We kunnen hormonen verwijderen, BPA, en pesticiden die allemaal in hetzelfde monster aanwezig zijn, en we kunnen dit in één stap doen."

En door de hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding van de nanodeeltjes is er maar een kleine hoeveelheid nodig om een ​​relatief grote hoeveelheid verontreinigende stoffen te verwijderen. De techniek zou dus potentieel kunnen bieden voor een kosteneffectieve sanering van verontreinigd water en bodem op grotere schaal.

"Vanuit het toegepaste perspectief, we hebben in een systeem laten zien dat de adsorptie van kleine moleculen op het oppervlak van de nanodeeltjes kan worden gebruikt voor elke soort extractie, ", zegt Bertrand. "Het opent de deur voor veel andere toepassingen in de loop van de tijd."

Deze aanpak zou eventueel verder ontwikkeld kunnen worden, hij speculeert, om het wijdverbreide gebruik van organische oplosmiddelen te vervangen voor alles, van het cafeïnevrij maken van koffie tot het maken van verfverdunners. Bertrand citeert DDT, verboden voor gebruik als pesticide in de VS sinds 1972, maar nog steeds veel gebruikt in andere delen van de wereld, als een ander voorbeeld van een persistente verontreinigende stof die mogelijk kan worden gesaneerd met behulp van deze nanomaterialen. "En voor analytische toepassingen waarbij je minder volume nodig hebt om te zuiveren of te concentreren, dit is misschien interessant, "Bertrand zegt, met het voorbeeld van een goedkope testkit voor urine-analyse van medische patiënten.

De studie suggereert ook het bredere potentieel voor het aanpassen van technieken voor medicijnafgifte op nanoschaal die zijn ontwikkeld voor gebruik bij milieusanering.

"Dat we enkele van de zeer geavanceerde, precisiegereedschappen ontwikkeld voor de farmaceutische industrie, en kijk nu naar het gebruik van deze technologieën in bredere termen, is fenomenaal, " zegt Frank Gu, een assistent-professor chemische technologie aan de Universiteit van Waterloo in Canada, en een expert in nano-engineering voor gezondheidszorg en medische toepassingen.

"Als je denkt aan inzet in het veld, dat is ver op de weg, maar dit artikel biedt een heel opwindende kans om een ​​probleem op te lossen dat hardnekkig aanwezig is, " zegt Gu, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Als je de normale conventionele benadering van civiele techniek of chemische technologie gebruikt om het te behandelen, het raakt het gewoon niet. Dat is waar het meest opwindende deel is."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.