Vandaag de dag, zinkoxide nanodeeltjes behoren tot de meest gebruikte nanomaterialen. Ze lijken veilig te zijn voor mensen, maar er zijn nog steeds geen normen voor hun toxiciteit, en ondanks onderzoeken, de toxicologische impact van ZnO-nanomaterialen blijft dubbelzinnig. Onderzoekers van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau en de Technische Universiteit van Warschau (PW) hebben onlangs een methode ontwikkeld voor het produceren van defectvrije ZnO-kwantumdots met blijvende fysisch-chemische eigenschappen zoals monodispersiteit, een relatief hoge kwantumefficiëntie, record-lange levensduur van luminescentie en EPR-stilte onder standaardomstandigheden. De strak gecoördineerde en ondoordringbare organische schillen die het oppervlak stabiliseren, maken de nieuwe ZnO-kwantumstippen bestand tegen zowel chemische als biologische omgevingen.

"Onze zinkoxide nanokristallen zijn van ongekend hoge kwaliteit, gekenmerkt door aanzienlijk betere chemische en fysische eigenschappen dan die welke momenteel worden geproduceerd door de meest populaire sol-gel-methode waarbij anorganische voorlopers worden gebruikt, " zegt prof. Janusz Lewinski (IPC PAS, PW). "De levensduur van de luminescentie is veel langer, tot enkele ordes van grootte. tot nu, alleen korte ZnO-fotoluminescentieverval is waargenomen, in de orde van enkele tot een dozijn picoseconden, kenmerkend voor sol-gel nanodeeltjes, of iets langer, nanoseconden, typisch alleen voor ZnO-monokristallen."

Gecombineerd met biologisch actieve moleculen, de nieuwe nanodeeltjes kunnen worden gebruikt in de biologie of geneeskunde, bijv. voor beeldvorming van cellen en weefsels, die een veel nauwkeuriger monitoring van de ziekteontwikkeling en de werkzaamheid van de behandeling mogelijk zou maken. In een artikel gepubliceerd in Chemie - Een Europees tijdschrift , de wetenschappers van Warschau, in samenwerking met een groep van de Jagiellonian University in Krakau, toonden aan dat hun zinkoxide nanodeeltjes veilig zijn. Het onderzoek kan leiden tot een snelle introductie van de nieuwe ZnO-quantumdots voor onder meer biologische en medische laboratoria.

ZnO-nanokristallen die op een klassieke manier zijn vervaardigd volgens de sol-gel-methode, zijn niet goed gestabiliseerd of geïsoleerd van de omgeving. Bijvoorbeeld, interacties die plaatsvinden op het grensvlak tussen de anorganische ZnO-kern en de biologische omgeving kunnen leiden tot de vorming van reactieve zuurstofsoorten of het oplossen en vrijkomen van potentieel giftige zinkkationen.

"Zinkoxide wordt over het algemeen beschouwd als een relatief veilig en biocompatibel materiaal. veel toxicologische studies van ZnO betreffen nanodeeltjes die heterogeen van grootte zijn en ook te groot om in cellen te kunnen doordringen. We realiseerden ons ook dat in de praktijk veel van de kenmerken van nanodeeltjes zijn niet alleen afhankelijk van hun grootte, maar ook op de oppervlakte-eigenschappen van zowel het nanokristallijne ZnO als de organische stabiliserende laag. Daarom, we hebben besloten om onze eenpot te wijzigen, zelfdragende organometallische methode van synthese, zodat de geproduceerde ZnO-nanodeeltjes zich in het binnenste van de cellen zo neutraal mogelijk gedragen, " zegt Dr. Malgorzata Wolska-Pietkiewicz (PW).

Het team van prof. Lewinski maakt kwantumstippen van zinkoxide uit organometaalverbindingen (precursoren). Voor biologische toepassingen, het eindresultaat is stabiel, bolvormige nanodeeltjes bestaande uit een kristallijne ZnO-kern met een diameter van vier tot vijf nanometer omgeven door een schil van organische liganden. Deze schaal vergroot de grootte van de nanodeeltjes (hun hydrodynamische diameter is ongeveer 12 nm) en beschermt de anorganische kern tegen afbraak als gevolg van interactie met een vaak zeer reactieve biologische omgeving, terwijl de invloed van ZnO zelf op deze omgeving wordt geëlimineerd.

"Nanodeeltjes met een kern van minder dan 10 nm dringen bijzonder gemakkelijk de cellen binnen. Dergelijke deeltjes worden als potentieel het meest toxisch beschouwd. Interessant is dat deze ZnO-nanodeeltjes vertoonden extreem lage schadelijke effecten in in vitro modeltests. De recente resultaten, evenals de gelijktijdig uitgevoerde onderzoeken in het ouderteam, leverde verder bewijs van het unieke karakter van het nanokristallijne ZnO verkregen als resultaat van de transformatie van organometallische moleculaire voorlopers, " merkt dr. Wolska-Pietkiewicz op.

Echter, er zijn zorgen over hun biologische en milieueffecten. Nanodeeltjes kunnen het lichaam binnendringen - de luchtwegen worden vaak blootgesteld aan verhoogde concentraties nanomaterialen en zijn bijzonder kwetsbaar voor toxiciteit. Daarom, A549- en MRC-5-cellijnen werden geselecteerd als in vitro-modellen voor interne maligniteiten en normale longcellen, respectievelijk. Researchers from the IPC PAS and PW showed that the organic layer surrounding the improved nanoparticles is impermeable—zinc ions are not released into the environment, and reactive oxygen species are not formed. Even at high concentrations, the toxicity of the new ZnO nanoparticles turned out to be negligible.

"Our method for the production of ZnO quantum dots means that they simply do not interact with the biological environment. So we have a strong foundation on which to start working on their applications. Not only in medical imaging, but also in other areas in which nanoparticles could potentially interact with the human body, bijvoorbeeld, as one of the components of paint. We are also developing a new technology for the synthesis of ZnO quantum dots and searching for potential applications as a part of NANOXO, a start-up company, " summarizes Prof. Lewinski.