Wetenschap
Polyglycerolcoating biedt veiliger milieusanering met nanodeeltjes
Nanodeeltjes (NP's) worden vaak gebruikt om de milieuvervuiling terug te dringen door zich te richten op schadelijke chemicaliën in bodem en water die vrijkomen bij industriële en agrarische activiteiten. Deze NP's zijn ontworpen om deze verontreinigende stoffen te absorberen, af te breken of te neutraliseren, wat een mogelijke oplossing biedt voor milieuverontreiniging. Wanneer ze echter in het milieu terechtkomen, kunnen ze door organismen worden geconsumeerd en via de voedselketen worden overgedragen, wat resulteert in wijdverbreide toxiciteit.
Om dit probleem aan te pakken heeft een onderzoeksteam onder leiding van onderzoeksprofessor Masazumi Fujiwara en assistent-professor Yajuan Zou van de Okayama Universiteit in Japan een polymeercoating ontwikkeld die op NP's kan worden aangebracht om ecotoxiciteit te voorkomen. Door de oppervlaktechemie en elektrische lading van NP's te veranderen, kunnen hun bindingseigenschappen worden gewijzigd. Het introduceren van hydrofiele groepen op het NP-oppervlak creëert een barrière, waardoor de binding aan biologische moleculen en celoppervlakken wordt ontmoedigd.
Hoewel het bekend is dat positief geladen NP's zich meer ophopen in organismen vanwege hun aantrekkingskracht op negatief geladen celoppervlakken, suggereren recente rapporten dat negatief geladen NP's zich meer kunnen ophopen dan hun positief geladen tegenhangers.
In hun onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Chemosphere op 7 mei 2024 ontwikkelden de onderzoekers een polyglycerol (PG) coating met de negatief geladen groep. Deze coating werd aangebracht op ijzeroxide-NP's (ION) en bleek de ophoping van ijzeroxidedeeltjes in Caenorhabditis elegans, een nematode die veel wordt gebruikt als modelorganisme in de milieuchemie, effectief te verminderen.
Dit onderzoek is mede-auteur van prof. Fujiwara, dr. Zou en dr. Yuta Nishina van de Okayama Universiteit, dr. Yutaka Shikano van de Tsukuba Universiteit, en dr. Naoki Komatsu en dr. Eriko Kage-Nakada van de Universiteit van Kyoto.
P>"We hebben aangetoond dat PG-transplantatie een effectieve aanpak was om de accumulatie te verminderen en de translocatie van ION in C. elegans te onderdrukken, wat bijgevolg de toxische gevolgen zoals voortplantingspotentieel en overlevingsratio verlichtte", zegt Dr. Fujiwara.
De onderzoekers pasten polyglycerolcoating toe op ION van verschillende groottes (20 nm, 100 nm en 200 nm) om ION-PG te creëren, met als doel de werkzaamheid van de coating over een spectrum van NP-groottes te beoordelen. De ION-PG werd vervolgens in een oplossing gesuspendeerd en C. elegans nematoden werden geïntroduceerd.
De wormen bevonden zich in verschillende levenscyclusstadia (van larven tot volwassen wormen), waardoor de onderzoekers de accumulatie van NP's tijdens hun ontwikkeling konden volgen. Een controlegroep werd blootgesteld aan een suspensie die ongecoat ION bevatte. Na 24 uur blootstelling werden de wormen verzameld, gewassen en onderzocht op opgehoopte NP's in hun lichaam.
De PG-coating verhinderde dat NP's aan biomoleculen bleven kleven, waardoor ze vrijer door de darm van de nematode konden gaan en uit hun lichaam konden worden uitgescheiden. Nematoden blootgesteld aan ION-PG hadden lagere niveaus van NP's in hun lichaam vergeleken met de controlegroep. De kleinste NP's, die gemakkelijk door de wormen konden reizen, werden niet gedetecteerd.
De onderzoekers onderzochten verder de impact van ladingsgroepen op de biologische beschikbaarheid van NP. Ze introduceerden positief geladen aminogroepen en negatief geladen carboxyl- en sulfaatgroepen in de ION-PG en voerden het experiment opnieuw uit. Ze ontdekten dat negatief geladen deeltjes gemakkelijker door de worm gingen dan positief geladen deeltjes vanwege de hoge elektrostatische afstoting tegen het negatief geladen celoppervlak en de lage affiniteit voor biomoleculen in de nematode.
Als gevolg hiervan verzachtte de coating de toxiciteit die gepaard gaat met ION-PG. De onderzoekers observeerden verbeteringen in zowel het voortplantingsvermogen als de levensduur bij de groep die werd blootgesteld aan de ION-PG in vergelijking met de groep die werd blootgesteld aan ongecoate NP's.
De onderzoekers benadrukken dat de ontwikkelde coating ook kan worden toegepast op andere NP’s, zoals grafeenoxide en titaniumdioxide die worden gebruikt voor milieusanering. "Er wordt verwacht dat onze bevindingen het ontwerp en de productie van grote hoeveelheden milieuvriendelijke nanomaterialen voor milieutoepassingen zullen bevorderen", zegt Dr. Fujiwara.