Forsker undersøger nanopartikel-membran-interaktioner for at bestemme sikkerheden

Nogle gange udgør banebrydende materialer med vigtige fordele for samfundet miljørisici, som ikke er synlige før årtier senere. I det voksende område af nanoteknologi - skabelsen af ​​materialer eller processer på nano-skala - forsøger forskere at identificere potentielle farer, før nye produkter er i udbredt brug.

"For ofte i fortiden ved vi ikke, om noget vil blive en risiko, før det er for sent, og det allerede er derude, " siger Geoffrey Bothun, en lektor i kemiteknik ved University of Rhode Island. "I stedet for at skabe produkter med nanomaterialer i dem og blot frigive dem til markedet, feltet ønsker at få bedre styr på, hvilken slags miljø- eller sikkerhedsrisici, der er forbundet med disse materialer."

Nanoteknologi giver potentiale for mange nye anvendelser inden for medicin, elektronik, energi og biomaterialer, men som enhver ny teknologi, det giver også anledning til bekymring om mulig toksicitet for mennesker og miljøet ved langtidseksponering.

"Der er stor spænding over, hvad nanoteknologi kan gøre for jobskabelse, ny produktudvikling og bedre materialer, " siger Bothun. "Det menes at være den nye industrielle revolution. Men videnskabsmænd, ingeniører og politiske beslutningstagere ønsker at komme foran spillet og guide designet af de bedste materialer med den mindste miljøpåvirkning."

Den National Science Foundation (NSF)-finansierede videnskabsmand studerer specifikt, hvordan konstruerede nanopartikler binder til cellemembraner, og processens indvirkning på selve membranen.

"Vi ved ikke nok om, hvordan disse fysiske interaktioner finder sted, og i hvilken grad de bidrager til toksicitet, " siger han. "Nanopartikler kan og vil hæmme eller dræbe celler. I nogle tilfælde, det er hvad de skal gøre. For eksempel, der er en masse naturlige antimikrobielle molekyler, der binder sig til en membran, forstyrre det og bryde huller, fører til celledød."

Nanopartikler findes i mange produkter, der kommer i tæt kontakt med mennesker, blandt dem, tøj, medicin, kosmetik og solcreme.

"Sølv nanopartikler, for eksempel, er i jagttøj og sportstøj og virker næsten som et antibiotikum, " siger Bothun. "De dræber bakterier, der forårsager stinkiness hovedsageligt ved at frigive sølvioner. Vi er udsat for dette sølv hele tiden, men om det er farligt eller ej er noget uvist."

Hans forskningsmål er at lære nok om, hvad der sker i nanopartikel-membran-interaktioner, til at eksperter kan bruge denne information til at forudsige, om partiklerne vil vise sig at være giftige. "Hvis vi forstår mekanismerne bag, hvordan disse partikler klæber til celler, som skulle hjælpe os med at designe partikler, der selektivt kunne binde sig til, for eksempel, bakterier og ikke menneskelige celler, " han siger.

Bothun udfører sin forskning under en NSF Faculty Early Career Development (CAREER) pris, som han modtog i 2011. Prisen støtter yngre fakulteter, der eksemplificerer rollen som lærer-lærde gennem fremragende forskning, fremragende uddannelse, og integration af uddannelse og forskning inden for rammerne af deres organisations mission.

Han og hans team bruger transmissionselektronmikroskopi (TEM) til at studere syntetiske bakterielle cellemembraner, de skaber og derefter udsætter for forskellige typer nanopartikler. "Vi kan ændre membransammensætningen, og nanopartikeltype og sammensætning og størrelse, " siger han. "Vi har mange variabler, vi kan spille med på begge sider. Med TEM kan vi direkte afbilde nanopartikelmembranbinding og ændringer, der opstår i membranen som følge af denne binding."

De har allerede fastslået, at nanopartikler kan opføre sig som proteiner, "det betyder, at vi kan bruge noget af vores eksisterende viden og teknologier om proteininteraktioner til at hjælpe med at forstå og forudsige nanopartikelinteraktioner, " siger han. "F.eks. der er tilfælde, hvor hydrofobe (vandhadende) nanopartikler kan ændre cellemembranstruktur svarende til hydrofobe proteiner."

Som en del af bevillingens uddannelseselement, forskerne har forbedret et førsteårs almen uddannelseskursus på universitetet med det formål at uddanne studerende om det sociale, økonomiske og miljømæssige konsekvenser af nanoteknologi, samt behovet for effektivt at formidle nye teknologier til et bredt publikum. De planlægger også at sponsorere faglige udviklingsaktiviteter, herunder forskning og specialiserede workshops, at supplere pensum.

Endelig, de er ved at udvikle et nyt gymnasieprogram, "Tænk småt/drøm stort!" for naturvidenskabelige klasser i byskoler i det større Providence-område. Eleverne skal arbejde med transmissionselektronmikroskopet, analysere nanomaterialer ved hjælp af state-of-the-art instrumentering.

"Målet her er at informere og begejstre gymnasieelever om nanoteknologi, og hele STEM (videnskab, teknologi, teknik og matematik) områder, og for at vise dem, hvordan nanoteknologi vil have en indflydelse på deres liv i fremtiden og den rolle, de kan spille, " siger Bothun.