Ny, sikre zinkoxid kvanteprikker

I dag, zinkoxidnanopartikler er blandt de mest almindeligt anvendte nanomaterialer. De ser ud til at være sikre for mennesker, men der er stadig ingen standarder for deres toksicitet, og trods undersøgelser, den toksikologiske påvirkning af ZnO nanomaterialer forbliver tvetydig. Forskere fra det polske videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa og Warszawas teknologiske universitet (PW) har for nylig udviklet en metode til fremstilling af fejlfrie ZnO kvanteprikker med vedvarende fysisk-kemiske egenskaber såsom monodispersitet, en relativt høj kvanteeffektivitet, rekordlange luminescenslevetider og EPR-støjsvaghed under standardforhold. De tæt koordinerede og uigennemtrængelige organiske skaller, der stabiliserer overfladen, gør de nye ZnO kvanteprikker modstandsdygtige over for både kemiske og biologiske miljøer.

"Vores zinkoxid nanokrystaller er af hidtil uset høj kvalitet, kendetegnet ved væsentligt bedre kemiske og fysiske egenskaber end dem, der i øjeblikket fremstilles ved den mest populære sol-gel-metode, der involverer uorganiske prækursorer, " siger prof. Janusz Lewinski (IPC PAS, PW). "Luminescenslevetiden er meget længere med op til flere størrelsesordener. Desuden, indtil nu, kun korte ZnO fotoluminescenshenfald er blevet observeret, i størrelsesordenen et par til et dusin eller deromkring picosekunder, karakteristisk for sol-gel nanopartikler, eller lidt længere, nanosekund, typisk kun for ZnO monokrystaller."

Kombineret med biologisk aktive molekyler, de nye nanopartikler kunne bruges i biologi eller medicin, f.eks. til billeddannelse af celler og væv, hvilket ville muliggøre meget mere præcis overvågning af sygdomsudvikling og behandlingseffektivitet. I en artikel offentliggjort i Kemi - Et europæisk tidsskrift , Warszawa-videnskabsmændene, i samarbejde med en gruppe fra Jagiellonian University i Krakow, viste, at deres zinkoxidnanopartikler er sikre. Forskningen kan føre til hurtig introduktion af de nye ZnO kvanteprikker til biologiske og medicinske laboratorier og andre applikationer.

ZnO nanokrystaller fremstillet på en klassisk måde ved sol-gel-metoden er ikke godt stabiliseret eller isoleret fra miljøet. For eksempel, interaktioner, der forekommer ved grænsefladen mellem den uorganiske ZnO-kerne og det biologiske miljø, kan føre til dannelsen af ​​reaktive oxygenarter eller opløsning og frigivelse af potentielt toksiske zinkkationer.

"Zinkoxid anses generelt for at være et relativt sikkert og biokompatibelt materiale. mange toksikologiske undersøgelser af ZnO vedrører nanopartikler, der er heterogene i størrelse og også for store til at kunne trænge ind i celler. Vi indså også, at i praksis mange af nanopartiklernes egenskaber afhænger ikke kun af deres størrelse, men også på overfladeegenskaberne af både det nanokrystallinske ZnO og det organiske stabiliserende lag. Derfor, vi besluttede at ændre vores one-pot, selvbærende organometallisk syntesemetode, så de producerede ZnO nanopartikler opfører sig så neutralt som muligt i det indre af cellerne, " siger Dr. Malgorzata Wolska-Pietkiewicz (PW).

Prof. Lewinskis team producerer kvanteprikker af zinkoxid fra organometalliske forbindelser (prækursorer). Til biologiske anvendelser, slutresultatet er stabilt, sfæriske nanopartikler bestående af en krystallinsk ZnO-kerne med en diameter på fire til fem nanometer omgivet af en skal af organiske ligander. Denne skal øger størrelsen af ​​nanopartiklerne (deres hydrodynamiske diameter er ca. 12 nm) og beskytter den uorganiske kerne mod nedbrydning på grund af interaktion med, hvad der ofte er et meget reaktivt biologisk miljø, samtidig med at selve ZnOs indflydelse på dette miljø elimineres.

"Nanopartikler med kernestørrelser under 10 nm trænger særligt let ind i cellerne. Sådanne partikler anses for potentielt at være de mest giftige. Interessant nok, disse ZnO nanopartikler viste ekstremt lave skadelige effekter i in vitro modeltests. De seneste resultater, samt undersøgelser udført samtidigt i forældreteamet, gav yderligere bevis på den unikke karakter af den nanokrystallinske ZnO opnået som et resultat af transformationen af ​​organometalliske molekylære precursorer, " bemærker Dr. Wolska-Pietkiewicz.

Imidlertid, der er bekymringer om deres biologiske og miljømæssige påvirkninger. Nanopartikler kan trænge ind i kroppen - luftvejene er ofte udsat for forhøjede koncentrationer af nanomaterialer er særligt sårbare over for toksicitet. Derfor, A549- og MRC-5-cellelinjer blev udvalgt som in vitro-modeller for interne maligniteter og normale lungeceller, henholdsvis. Researchers from the IPC PAS and PW showed that the organic layer surrounding the improved nanoparticles is impermeable—zinc ions are not released into the environment, and reactive oxygen species are not formed. Even at high concentrations, the toxicity of the new ZnO nanoparticles turned out to be negligible.

"Our method for the production of ZnO quantum dots means that they simply do not interact with the biological environment. So we have a strong foundation on which to start working on their applications. Not only in medical imaging, but also in other areas in which nanoparticles could potentially interact with the human body, for eksempel, as one of the components of paint. We are also developing a new technology for the synthesis of ZnO quantum dots and searching for potential applications as a part of NANOXO, a start-up company, " summarizes Prof. Lewinski.