Persoonlijke elektronische apparaten:smartphones, computers, tv's, tabletten, allerlei soorten schermen - zijn een belangrijke en groeiende bron van 's werelds elektronisch afval. Veel van deze producten maken gebruik van nanomaterialen, maar er is weinig bekend over hoe deze moderne materialen en hun kleine deeltjes interageren met de omgeving en levende wezens.

Nu heeft een onderzoeksteam van chemici van de Northwestern University en collega's van het nationale Centrum voor Duurzame Nanotechnologie ontdekt dat wanneer bepaalde gecoate nanodeeltjes interageren met levende organismen, dit resulteert in nieuwe eigenschappen die ervoor zorgen dat de nanodeeltjes plakkerig worden. Gefragmenteerde lipide corona's vormen zich op de deeltjes, waardoor ze aan elkaar kleven en uitgroeien tot lange kelp-achtige strengen. Nanodeeltjes met een diameter van 5 nanometer vormen lange structuren die in oplossing micron groot zijn. De impact op cellen is niet bekend.

"Waarom geen deeltje maken dat vanaf het begin goedaardig is?" zei Franz M. Geiger, hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Hij leidde het noordwestelijke deel van het onderzoek.

"Deze studie geeft inzicht in de moleculaire mechanismen waarmee nanodeeltjes interageren met biologische systemen, " Zei Geiger. "Dit kan ons helpen begrijpen en voorspellen waarom sommige combinaties van nanomateriaal/ligandcoating schadelijk zijn voor cellulaire organismen en andere niet. We kunnen dit gebruiken om nanodeeltjes te construeren die van nature goedaardig zijn."

Met behulp van experimenten en computersimulaties, het onderzoeksteam bestudeerde in polykation gewikkelde gouden nanodeeltjes en hun interacties met een verscheidenheid aan dubbellaagse membraanmodellen, inclusief bacteriën. De onderzoekers ontdekten dat zich spontaan een bijna cirkelvormige laag lipiden vormt rond de deeltjes. Deze "gefragmenteerde lipide corona's" zijn nog nooit eerder gezien.

De studie wijst op het oplossen van problemen met scheikunde. Wetenschappers kunnen de bevindingen gebruiken om een ​​betere ligandcoating voor nanodeeltjes te ontwerpen die de ammonium-fosfaatinteractie vermijdt, die de aggregatie veroorzaakt. (Liganden worden gebruikt in nanomaterialen voor gelaagdheid.)

De resultaten worden op 18 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Chemo .

Geiger is de corresponderende auteur van de studie. Andere auteurs zijn onder meer wetenschappers van de andere institutionele partners van het Centre for Sustainable Nanotechnology. Gevestigd aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, het centrum bestudeert gemanipuleerde nanomaterialen en hun interactie met de omgeving, inclusief biologische systemen - zowel de negatieve als de positieve aspecten.

"De nanodeeltjes pikken delen van het lipide celmembraan op als een sneeuwbal die in een sneeuwveld rolt, en ze worden plakkerig, " Zei Geiger. "Dit onbedoelde effect gebeurt vanwege de aanwezigheid van het nanodeeltje. Het kan lipiden naar plaatsen in cellen brengen waar lipiden niet bedoeld zijn."

De experimenten werden uitgevoerd in geïdealiseerde laboratoriumomgevingen die niettemin relevant zijn voor omgevingen die tijdens de late zomer op een stortplaats worden aangetroffen - bij 21-22 graden Celsius en een paar voet onder de grond, waar bodem en grondwater zich vermengen en de voedselketen begint.

Door spectroscopische en beeldvormende experimenten te combineren met atomistische en grofkorrelige simulaties, de onderzoekers identificeerden dat ionenparing tussen de lipidekopgroepen van biologische membranen en de ammoniumgroepen van polykationen in de nanodeeltjesverpakking leidt tot de vorming van gefragmenteerde lipidecorona's. Deze corona's zorgen voor nieuwe eigenschappen, inclusief samenstelling en plakkerigheid, tot de deeltjes met een diameter kleiner dan 10 nanometer.

De inzichten van de studie helpen de impact te voorspellen die het steeds wijdverbreide gebruik van gemanipuleerde nanomaterialen heeft op het lot van de nanodeeltjes zodra ze in de voedselketen terechtkomen. wat velen van hen uiteindelijk zullen doen.

"Er ontstaan ​​nieuwe technologieën en massaconsumentenproducten met nanomaterialen als cruciale operationele componenten, "Geiger zei. "We kunnen het bestaande paradigma in de productie van nanomaterialen ombuigen naar een paradigma waarin bedrijven nanomaterialen ontwerpen om vanaf het begin duurzaam te zijn, in plaats van het risico te lopen om dure productterugroepingen - of erger - later te riskeren."