Nanodeeltjes met een grootte van minder dan 100 nanometer worden gebruikt om nieuwe materialen en nanotechnologieën te ontwikkelen in verschillende sectoren. Door hun kleine formaat hebben deze deeltjes een zeer hoge verhouding tussen oppervlakte en volume en zijn hun eigenschappen sterk afhankelijk van hun grootte, vorm en gebonden moleculen. Dit biedt ingenieurs meer flexibiliteit bij het ontwerpen van materialen die in ons dagelijks leven kunnen worden gebruikt. Nanodeeltjes worden zowel in zonnebrandcrèmes en cosmetica als in ons lichaam aangetroffen, als medicijnafgiftevehikels en als contrastmiddelen voor geneesmiddelen. Gouden nanodeeltjes blijken een hulpmiddel van de volgende generatie te zijn in nano-engineering als een effectieve katalysator bij zulke kleine afmetingen. Echter, nanomaterialen vormen ook een potentieel risico, omdat hun interacties met levende materie en de omgeving niet volledig worden begrepen, wat betekent dat ze mogelijk niet presteren zoals verwacht, bijvoorbeeld in het menselijk lichaam.

Hoewel wetenschappers de eigenschappen van nanodeeltjes hebben kunnen verfijnen en ontwikkelen door hun grootte te veranderen, vorm, oppervlaktechemie en zelfs fysieke toestand, zo'n verscheidenheid aan mogelijkheden maakt het ook uiterst moeilijk om precies te dicteren hoe de deeltjes zich op die kleine schaal gedragen. Dit is met name zorgwekkend omdat we vertrouwen op het mogelijke gebruik van nanodeeltjes in het menselijk lichaam. Gouden nanodeeltjes zijn goede dragers van grote en kleine moleculen, waardoor ze ideaal zijn voor het transport van medicijnen naar menselijke cellen. Echter, voorspellen hoe ver ze vervolgens door de cellen worden opgenomen en hun toxiciteit, is moeilijk, evenals het begrijpen van eventuele bijbehorende gezondheidsrisico's bij het gebruik van deze nanomaterialen.

Een Europese samenwerking van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Institut Laue-Langevin (ILL), Universiteit van Tampere, Universiteit van Helsinki, Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie, en Université Grenoble Alpes, onderzocht de fysische en chemische invloeden wanneer gouden nanodeeltjes interageren met een biologisch modelmembraan om de gedragsmechanismen te identificeren die plaatsvinden. Beter begrip van de factoren die bepalen of nanodeeltjes worden aangetrokken of afgestoten door het celmembraan, of ze nu geadsorbeerd of geïnternaliseerd zijn, of ze membraandestabilisatie veroorzaken, zal ons helpen ervoor te zorgen dat nanodeeltjes op een gecontroleerde manier met onze cellen interageren. Dit is vooral belangrijk bij het gebruik van gouden nanodeeltjes voor medicijnafgifte, bijvoorbeeld.

Zoals beschreven in het tijdschrift Klein , de onderzoekers gebruikten een combinatie van neutronenverstrooiingstechnieken en computationele methoden om de interactie tussen positief geladen kationische gouden nanodeeltjes en lipidemembranen te bestuderen. De studie toonde aan hoe de temperatuur en de lipidelading de aanwezigheid van energiebarrières moduleren die de interactie van het nanodeeltje met het membraan beïnvloeden. Verder, verschillende moleculaire mechanismen voor interacties tussen nanodeeltjes en membranen worden onthuld die verklaren hoe nanodeeltjes worden geïnternaliseerd in de lipidemembranen, en hoe ze samenwerken om een ​​negatief geladen lipidemembraan te destabiliseren.

Met behulp van Moleculaire Dynamica (MD), een computationele simulatiemethode voor het bestuderen van de beweging van atomen, de onderzoekers toonden aan hoe gouden nanodeeltjes op atomair niveau binnen het systeem interageren. Dit geeft een aanvullend hulpmiddel voor het interpreteren en verklaren van de gegevens die zijn verkregen op echte systemen door neutronenreflectometrie. Deze studie toont overtuigend aan dat de combinatie van neutronenverstrooiing en computationele methoden een beter begrip geeft dan slechts één van de methoden alleen.

Giovanna Fragneto, Head of Soft Matter Science and Support bij ILL zei:"Nanodeeltjes blijken een hulpmiddel van onschatbare waarde te zijn om ons te helpen een aantal maatschappelijke uitdagingen aan te gaan. evenals mechanismen voor medicijnafgifte, gouddeeltjes kunnen nuttig zijn voor beeldvorming van kanker. Met zoveel belofte voor de toekomst, het is belangrijk dat we de tools ontwikkelen om nanomaterialen beter te onderzoeken, zodat we ze effectief en veilig kunnen inzetten. Dit wordt mogelijk gemaakt door ontwikkelingen in neutronenwetenschappelijke technieken en vooruitgang in de monsteromgeving en monstervoorbereiding, uitgevoerd bij faciliteiten zoals IBL."

Marco Maccarini, onderzoeker aan de Université Grenoble Alpes, zei:"Er zijn duizenden verschillende nanodeeltjes van verschillende groottes en samenstellingen, die alle cellen anders beïnvloeden. De complementariteit van computationele en neutronentechnieken die in dit onderzoek naar voren zijn gekomen, heeft geholpen om een ​​duidelijkere indicatie te geven van wat het gedrag van nanodeeltjes beïnvloedt. Dit zal ons helpen te voorspellen hoe cellen in de toekomst zullen interageren met nanodeeltjes."