Forskere udforsker guldnanopartiklers ukendte adfærd med neutroner

Nanopartikler på mindre end 100 nanometer bruges til at konstruere nye materialer og nanoteknologier på tværs af forskellige sektorer. Deres lille størrelse betyder, at disse partikler har et meget højt forhold mellem overfladeareal og volumen, og deres egenskaber afhænger stærkt af deres størrelse, form og bundne molekyler. Dette giver ingeniører større fleksibilitet, når de designer materialer, der kan bruges i vores hverdag. Nanopartikler findes i solcremecremer og kosmetik såvel som inde i vores kroppe, som lægemiddelleveringsbærere og som kontrastmidler til lægemidler. Guld nanopartikler viser sig at være et næste generations værktøj inden for nanoengineering som en effektiv katalysator ved så små dimensioner. Imidlertid, nanomaterialer udgør også en potentiel risiko, da deres interaktioner med levende stof og miljøet ikke er fuldt ud forstået - hvilket betyder, at de måske ikke fungerer som forventet, for eksempel i den menneskelige krop.

Mens forskere har været i stand til at finjustere og konstruere egenskaberne af nanopartikler ved at ændre deres størrelse, form, overfladekemi og endda fysisk tilstand, en sådan variation af muligheder betyder, at det også bliver ekstremt svært at diktere præcist, hvordan partiklerne opfører sig i den lille skala. Dette er særligt bekymrende, da vi stoler på den potentielle brug af nanopartikler i den menneskelige krop. Guld nanopartikler er gode bærere af store og små molekyler, hvilket gør dem ideelle til transport af lægemidler til menneskelige celler. Imidlertid, forudsige, hvor langt de derefter absorberes af cellerne og deres toksicitet, er svært, som det er at forstå eventuelle tilknyttede sundhedsrisici ved at bruge disse nanomaterialer.

Et europæisk samarbejde af forskere, herunder forskere fra Institut Laue-Langevin (ILL), Tampere Universitet, Helsinki Universitet, Norges Tekniske og Naturvidenskabelige Universitet, og Université Grenoble Alpes, undersøgte de fysiske og kemiske påvirkninger, når guldnanopartikler interagerer med en biologisk modelmembran for at identificere de adfærdsmekanismer, der finder sted. Bedre forståelse af de faktorer, der bestemmer, om nanopartikler tiltrækkes eller frastødes af cellemembranen, om de er adsorberet eller internaliseret, eller om de forårsager membrandestabilisering, vil hjælpe os med at sikre, at nanopartikler interagerer med vores celler på en kontrolleret måde. Dette er især vigtigt, når du bruger guldnanopartikler til lægemiddellevering, for eksempel.

Som beskrevet i journalen Lille , forskerne brugte en kombination af neutronspredningsteknikker og beregningsmetoder til at studere interaktionen mellem positivt ladede kationiske guldnanopartikler og modellipidmembraner. Undersøgelsen viste, hvordan temperaturen og lipidladningen modulerer tilstedeværelsen af ​​energibarrierer, der påvirker nanopartiklernes interaktion med membranen. Desuden, forskellige molekylære mekanismer til nanopartikel-membran-interaktioner afsløres, som forklarer, hvordan nanopartikler bliver internaliseret i lipidmembranerne, og hvordan de i samarbejde virker for at destabilisere en negativt ladet lipidmembran.

Brug af Molecular Dynamics (MD), en beregningssimuleringsmetode til at studere atomers bevægelse, forskerne demonstrerede, hvordan guldnanopartikler interagerede i systemet på atomniveau. Dette giver et komplementært værktøj til at fortolke og forklare data opnået på virkelige systemer ved neutronreflektometri. Denne undersøgelse viser overbevisende, at kombinationen af ​​neutronspredning og beregningsmetoder giver en bedre forståelse end blot en af ​​metoderne alene.

Giovanna Fragneto, Chef for Soft Matter Science og Support hos ILL sagde:"Nanopartikler har vist sig at være et uvurderligt værktøj til at hjælpe os med at håndtere en række sociale udfordringer. For eksempel, samt mekanismer for lægemiddellevering, guldpartikler kan vise sig nyttige til billeddannelse af kræft. Med så meget løfte for fremtiden, det er vigtigt, at vi udvikler værktøjerne til bedre at undersøge nanomaterialer, så vi kan udnytte dem effektivt og sikkert. Dette er gjort muligt gennem udvikling inden for neutronvidenskabsteknikker og fremskridt inden for prøvemiljø og prøveforberedelse, udføres på faciliteter som ILL."

Marco Maccarini, forsker ved Université Grenoble Alpes, sagde:"Der er tusindvis af forskellige nanopartikler af forskellig størrelse og sammensætning, som alle påvirker celler forskelligt. Komplementariteten af ​​beregnings- og neutronteknikker fremhævet i denne undersøgelse har bidraget til at give en klarere indikation af, hvad der påvirker nanopartiklernes adfærd. Dette vil hjælpe os med at forudsige, hvordan celler vil interagere med nanopartikler i fremtiden."