Ingeniører udforsker miljømæssige bekymringer ved nanoteknologi

Mens forskere over hele verden skynder sig at anvende nanoteknologi til at forbedre produktionsmetoder til applikationer, der spænder fra fremstillingsmaterialer til fremstilling af nye farmaceutiske lægemidler, en separat, men lige så overbevisende udfordring eksisterer.

Historien har vist, at tidligere industrielle revolutioner, såsom dem, der involverer asbest og chlorfluorcarboner, har haft nogle alvorlige miljøpåvirkninger. Kan nanoteknologi også udgøre en risiko?

Linsey Marr og Peter Vikesland, fakultetsmedlemmer i Via Department of Civil and Environmental Engineering ved Virginia Tech, er en del af det nationale center for miljømæssige konsekvenser af nanoteknologi (CEINT), finansieret af National Science Foundation (NSF) i 2008. Sammen med Michael Hochella, Universitets fremtrædende professor i geovidenskab, de repræsenterer Virginia Techs indsats i et ni-medlems konsortium tildelt $14 millioner over fem år, starter i 2008. Virginia Techs del er $1,75 millioner.

CEINT er dedikeret til at belyse forholdet mellem en bred vifte af nanomaterialer - fra naturlige, til fremstillet, til dem, der tilfældigt er produceret af menneskelige aktiviteter - og deres potentielle miljøeksponering, biologiske effekter, og økologiske konsekvenser. Det vil fokusere på skæbnen og transporten af ​​naturlige og fremstillede nanomaterialer i økosystemer.

Hovedkvarter på Duke University, CEINT er et samarbejde mellem Duke, Carnegie Mellon University, Howard University, og Virginia Tech som kernemedlemmer, samt efterforskere fra University of Kentucky og Stanford University. CEINTs akademiske samarbejder i USA omfatter også igangværende aktiviteter koordineret med fakultetet på Clemson, North Carolina State, UCLA, og Purdue universiteter. Hos Virginia Tech, CEINT er en del af Universitetets Institut for Kritisk Teknologi og Anvendt Videnskab (ICTAS).

Forskere og ingeniører ved centret har skitseret planer om at udføre forskning i de mulige miljømæssige sundhedsvirkninger af nanomaterialer. Planerne omfatter nye tilgange, såsom at skabe en forudsigelig toksikologisk model baseret på celleassays og bygge økosystemer til at spore nanopartikler.

Karakterisering af luftbårne partikler

På en af ​​de nye måder Marr udfører sine tests på, hun og hendes kolleger dyrker menneskelige lungeceller og placerer dem i kamre, der efterlader lungecelleoverfladen udsat for luft. Denne placering giver mulighed for direkte kontakt af cellerne med aerosoliserede partikler ved luft-væske-grænsefladen (ALI). En af Marrs postdoktorale forskere, Amara Holder, og kolleger fra Berkeley har tidligere udsat cellerne for partikler i dieseludstødning og en metanflamme. De sammenlignede ALI-eksponeringen med konventionel in vitro-eksponering, hvor partikler er suspenderet i et flydende cellekulturmedium.

"Vores resultater viste, at ALI-eksponeringsinhalationsvejen er en relevant in vitro-tilgang og er mere lydhør end den konventionelle eksponering for partikelsuspensioner, " konkluderede de. Nu, Marr og hendes kolleger gentager eksponeringen med konstruerede nanopartikler. Forskerne vil forbedre aflejringen af ​​mindre partikler ved at generere et elektrisk felt og "forlade sig på den elektroforetiske kraft til at drive ladede partikler til celleoverfladen."

"Med dette design, lungeceller kan blive udsat for et betydeligt antal aerosoliserede konstruerede nanopartikler, såsom sølv- og metaloxider, som enkelte partikler frem for store agglomerater, Marr forklarede. En udfordring i test af nanopartiklers toksicitet har været, at meget små partikler kan lide at danne aggregater, så at teste interaktioner af de mindste partikler med celler kræver særlige tilgange.

Marr og en af ​​hendes kandidatstuderende, Andrea Tiwari, har valgt C60 fulleren som en model for kulstofholdige nanomaterialer på grund af dens relative enkelhed, tegn på toksicitet, og rig historie i den videnskabelige litteratur. Opdagelsen af ​​C60-forbindelsen i 1985 gav Harold Kroto, James R. Heath, og Richard Smalley 1996 Nobelprisen i kemi. C60 fullerener og variationer af dem bliver brugt i hele den nanoteknologiske industri.

"Luftbårne kulholdige nanomaterialer vil sandsynligvis blive fundet i produktionsfaciliteter og i den omgivende luft og kan udvise toksiske virkninger, hvis de indåndes, " sagde Marr og Tiwari. De teoretiserede yderligere, at når de blev udsat for luften, nanomaterialer vil sandsynligvis blive kemisk omdannet efter eksponering for oxidanter i atmosfæren.

I deres forundersøgelser, resultater indikerer, at "oxidation påvirker opløseligheden, da absorbansen efter resuspendering i vand er lavere for fullerener udsat for ozon." Implikationen er, at reaktioner i atmosfæren kan omdanne nanopartikler og gøre dem mere tilbøjelige til at opløses i vand, når de deponeres tilbage til jorden. de kan rejse længere og komme i kontakt med flere organismer, end hvis de sad fast i jorden.

At indsamle luftbårne nanopartikler til analyse, Marr's gruppe designede en lavpris termoforetisk udskiller, der bruger isvand som kølekilde og en 10-W modstand som varmekilde. De flød syntetiske aerosoler gennem præcipitatoren og brugte et transmissionselektronmikroskop til at inspicere partiklerne.

"Foreløbig analyse bekræftede, at denne præcipitator var effektiv til at opsamle nanopartikler af en bred vifte af størrelser og vil være effektiv i fremtidige undersøgelser af luftbårne nanopartikler, " sagde Marr.

Efterhånden som hendes arbejde på dette område skrider frem, Marr var i stand til at bruge sin forskning i karakteriseringen af ​​luftbårne partikelkoncentrationer under produktionen af ​​kulstofholdige nanomaterialer, såsom fullerener og kulstof nanorør, i et kommercielt nanoteknologisk anlæg. Baseret på målinger fra hendes undersøgelse, færdig med Behnoush Yeganeh, Christy Kull og Mathew Hull, alle kandidatstuderende, de konkluderede, at ingeniørkontrol på anlægget "synes at være effektiv til at begrænse eksponeringen for nanomaterialer, " og rapporterede deres resultater i American Chemical Society's publikation Miljøvidenskab og -teknologi (Vol. 42, nr. 12, 2008)

Imidlertid, de peger på begrænsningerne ved denne indledende undersøgelse, der hovedsageligt fokuserede på den fysiske karakterisering, og som ikke skelnede mellem partikler genereret af nanomateriale sodproduktion og dem fra andre kilder.

Virkninger af carboxylsyrer på nC60-aggregatdannelse

"Den stigende produktion og anvendelse af C60 fulleren på grund af dens karakteristiske egenskaber vil uundgåeligt føre til frigivelse i miljøet, "Marrs kollega, Vikesland, sagde. Allerede, det biomedicinske, optoelektronik, sensorer og kosmetikindustrien er blandt brugerne af C60 fulleren.

"Lidt er i øjeblikket kendt om interaktionen af ​​C60 fulleren med bestanddelene i naturlige vand, og derfor er det svært at forudsige skæbnen for C60, der frigives i det naturlige miljø, " tilføjede Vikesland. "C60 fulleren er praktisk talt uopløseligt i vand."

Imidlertid, en af ​​komponenterne i naturligt vand er naturligt organisk stof (NOM). Når C60 fulleren frigives i vand, det danner "meget stabile dispergerede kolloide C60-aggregater eller nC60, " forklarede Vikesland. Disse aggregater kan udvise betydelige forskelle i aggregatstruktur, størrelse, morfologi, og overflade oplader og opfører sig meget anderledes end C60 alene.

Problemet med NOM er dets tilfældighed, resulterer i forskellige egenskaber ved de tilslag, der dannes, når de blandes med C60.

Så, Vikesland ser på carboxylsyrer med lille molekylvægt, såsom eddikesyre, vinsyre, og citronsyre, alle almindeligt påviste bestanddele af naturligt vand og biologiske væsker. Han og hans kandidatstuderende Xiaojun Chang har specifikt set på dannelsen af ​​nC60 i eddikesyre (eddike) opløsninger, udsat aggregaterne for udvidet blanding, og fandt, at opløsningens kemi adskiller sig væsentligt fra nC60 blandet i vand alene.

"Citratet påvirker dannelsen af ​​nC60 på to måder, " sagde Vikesland. Det ændrer pH, en nøglefaktor i at kontrollere overfladeladningen af ​​nC60, og den interagerer direkte med C60-overfladen.

Vikesland forklarede betydningen af ​​dette resultat. Når nC60 produceres i nærværelse af carboxylsyrerne, dens aggregater adskiller sig væsentligt fra dem, der produceres uden syrerne. Generelt, Vikesland sagde, disse aggregater har flere negative overfladeladninger og er mere homogene end dem, der produceres i vand alene.

"Disse resultater tyder på, at den ultimative skæbne for C60 i vandige miljøer sandsynligvis vil blive væsentligt påvirket af mængderne og typerne af carboxylsyrer, der er til stede i naturlige systemer og af opløsningens pH, " tilføjede Vikesland. Ydermere, fordi carboxylsyrer er almindelige i biologiske væsker, Vikesland er interesseret i, hvordan hans resultater relaterer sig til de mekanismer, hvorved C60 interagerer med celler in vivo.

Disse syrer kan i væsentlig grad påvirke eventuelle konklusioner, der i sidste ende nås vedrørende virkningen af ​​C60 fulleren i miljøet. Hans nuværende arbejde vises i et nummer af Miljøforurening v157, udgave 4 (april 2009), s. 1072-1080.