Polyglycerolbelægning giver sikrere miljøsanering af nanopartikler

Nanopartikler (NP'er) bruges ofte til at reducere miljøforurening ved at målrette skadelige kemikalier i jord og vand, der frigives af industri- og landbrugsaktiviteter. Disse NP'er er konstrueret til at absorbere, nedbryde eller neutralisere disse forurenende stoffer, hvilket giver en potentiel løsning på miljøforurening. Men når de frigives til miljøet, kan de forbruges af organismer og overføres gennem fødekæden, hvilket resulterer i udbredt toksicitet.

For at løse dette problem har et forskerhold ledet af forskningsprofessor Masazumi Fujiwara og adjunkt Yajuan Zou fra Okayama University i Japan udviklet en polymerbelægning, der kan påføres NP'er for at forhindre økotoksicitet. Ved at ændre overfladekemien og den elektriske ladning af NP'er kan deres bindingsegenskaber modificeres. Introduktion af hydrofile grupper til NP-overfladen skaber en barriere, der afskrækker binding til biologiske molekyler og celleoverflader.

Mens positivt ladede NP'er vides at akkumulere mere i organismer på grund af deres tiltrækning til negativt ladede celleoverflader, tyder nyere rapporter på, at negativt ladede NP'er kan akkumulere mere end deres positivt ladede modstykker.

I deres undersøgelse, som blev offentliggjort i tidsskriftet Chemosphere den 7. maj 2024 udviklede forskerne en polyglycerol (PG) coating med den negativt ladede gruppe. Denne belægning blev påført jernoxid-NP'er (ION) og viste sig effektivt at reducere ophobningen af ​​jernoxidpartikler i Caenorhabditis elegans, en nematode, der i vid udstrækning anvendes som modelorganisme i miljøkemi.

Denne forskning var medforfatter af Prof. Fujiwara, Dr. Zou og Dr. Yuta Nishina fra Okayama University, Dr. Yutaka Shikano fra Tsukuba University, og Dr. Naoki Komatsu og Dr. Eriko Kage-Nakada fra Kyoto University.

"Vi har vist, at PG-transplantation var en effektiv tilgang til at reducere akkumuleringen og undertrykke translokationen af ​​ION i C. elegans, hvilket som følge heraf lindrede de toksiske udfald såsom reproduktionspotentiale og overlevelsesforhold," siger Dr. Fujiwara.

Forskerne anvendte polyglycerolbelægning på ION af forskellige størrelser - 20 nm, 100 nm og 200 nm - for at skabe ION-PG med det formål at vurdere belægningens effektivitet på tværs af et spektrum af NP-størrelser. ION-PG blev derefter suspenderet i en opløsning, og C. elegans nematoder blev indført.

Ormene var i forskellige livscyklusstadier (fra larver til voksne orme), hvilket gjorde det muligt for forskerne at overvåge NP-akkumulering gennem deres udvikling. En kontrolgruppe blev udsat for en suspension indeholdende ikke-coated ION. Efter 24 timers eksponering blev ormene opsamlet, vasket og undersøgt for akkumulerede NP'er i deres kroppe.

PG-belægningen forhindrede NP'er i at klæbe til biomolekyler, hvilket tillod dem at passere gennem nematodens tarm mere frit og blive udskilt fra deres kroppe. Nematoder udsat for ION-PG havde lavere niveauer af NP'er i deres kroppe sammenlignet med kontrolgruppen. De mindste NP'er, som let kunne krydse gennem ormene, blev ikke opdaget.

Forskerne undersøgte yderligere virkningen af ​​ladningsgrupper på NP-biotilgængelighed. De introducerede positivt ladede aminogrupper og negativt ladede carboxyl- og sulfatgrupper til ION-PG og udførte eksperimentet igen. De fandt ud af, at negativt ladede partikler passerede gennem ormen lettere end positivt ladede partikler på grund af høj elektrostatisk frastødning mod den negativt ladede celleoverflade og lav affinitet til biomolekyler i nematoden.

Som et resultat afbød belægningen toksiciteten forbundet med ION-PG. Forskerne observerede forbedringer i både reproduktionskapacitet og levetid blandt gruppen udsat for ION-PG sammenlignet med gruppen udsat for ubelagte NP'er.

Forskerne understreger, at den udviklede belægning også kan anvendes på andre NP'er såsom grafenoxid og titaniumdioxid, der bruges til miljøsanering. "Vores resultater forventes at fremme design og produktion af store mængder af miljøvenlige nanomaterialer til miljømæssige anvendelser," siger Dr. Fujiwara.

Flere oplysninger: Yajuan Zou et al., Størrelse, polyglycerolpodning og nettooverfladeladning af jernoxidnanopartikler bestemmer deres interaktion og toksicitet i Caenorhabditis elegans, Cemosphere (2024). DOI:10.1016/j.chemosphere.2024.142060

Journaloplysninger: Kemosfære

Leveret af Okayama University