Konstruerade nanomaterial, prisade för sina unika halvledande egenskaper, är redan vanliga i dagliga konsumentprodukter - från solskyddsmedel, kosmetika och färger till textilier och solbatterier - och ekonomiska prognosmakare förutspår att industrin kommer att växa till 1 biljon dollar under de närmaste åren. Men hur säkra är dessa material?
Eftersom halvledaregenskaperna hos metalloxidnanomaterial potentiellt kan översättas till hälsorisker för människor, djur och miljö, det är nödvändigt, forskare säger, att utveckla en metod för att snabbt testa dessa material för att fastställa potentiella faror och vidta lämpliga förebyggande åtgärder.
För detta ändamål, UCLA-forskare och deras kollegor har utvecklat en ny screeningsteknik som gör att stora partier av dessa metalloxidnanomaterial snabbt kan bedömas, baserat på deras förmåga att utlösa vissa biologiska svar i celler som ett resultat av deras halvledaregenskaper. Forskningen är publicerad i tidskriften ACS Nano.
Precis som halvledare kan injicera eller extrahera elektroner från industriella material, Halvledande metalloxidnanomaterial kan ha en elektronöverföringseffekt när de kommer i kontakt med mänskliga celler som innehåller elektroniskt aktiva molekyler, fann forskarna. Och även om dessa oxidations-reduktionsreaktioner är användbara inom industrin, när de förekommer i kroppen har de potential att generera syreradikaler, som är mycket reaktiva syremolekyler som skadar celler, utlöser akut inflammation i lungorna hos exponerade människor och djur.
I ett nyckelfynd, forskargruppen förutspådde att metalloxid-nanomaterial och elektroniskt aktiva molekyler i kroppen måste ha liknande elektronenerginivåer - kallad bandgap-energi i fallet med nanomaterialet - för att denna farliga elektronöverföring ska inträffa och oxidativ skada uppstår.
Baserat på denna förutsägelse, forskarna screenade 24 metalloxid-nanopartiklar för att avgöra vilka som var mest sannolikt att leda till toxicitet under verklig exponering. Med hjälp av en screeninganalys med hög genomströmning (utförd av robotutrustning och ett automatiskt bildfångstmikroskop), de testade de två dussin materialen på en mängd olika celltyper inom några timmar och fann att sex av dem - de som tidigare hade uppfyllt forskarnas prediktiva kriterier för att vara giftiga baserat på deras bandgap-energi - ledde till oxidativ skada i celler.
Teamet testade sedan nanomaterialen i välorganiserade djurstudier och fann att endast de material som hade lett till oxidativ skada i celler kunde generera inflammation i lungorna hos möss, bekräftar forskarnas hypotes om bandgap.
"Förmågan att göra sådana förutsägelser, börjar med celler i ett provrör, och extrapolera resultaten till intakta djur och människor som exponeras för potentiellt farliga metalloxider, är ett stort steg framåt i säkerhetskontroll av nanomaterial, " sa seniorförfattaren Dr Andre Nel, chef för divisionen för nanomedicin vid David Geffen School of Medicine vid UCLA och California NanoSystems Institute vid UCLA och chef för University of California Center for Environmental Implications of Nanotechnology.
Enligt forskarna, denna nya säkerhetsutvärderingsteknik har potential att ersätta traditionella tester, som för närvarande utförs ett material i taget i arbetsintensiva djurstudier med en "vänta-och-se"-metod som inte avslöjar varför de inblandade nanomaterialen kan vara farliga. UCLA-teamets förutsägande tillvägagångssätt och screeningteknik kan påskynda möjligheten att bedöma ett stort antal nya nanomaterial i stället för att vänta på att deras toxikologiska potential ska visa sig innan åtgärder vidtas.
"Att kunna integrera metalloxid elektroniska egenskaper i en förutsägande och hög genomströmning vetenskaplig plattform i detta arbete kan spela en viktig roll för att främja nanomaterialsäkerhetstester under 2000-talet till en förebyggande strategi, istället för att vänta på att problem ska dyka upp, sa Nel.
En annan stor fördel med ett tillvägagångssätt baserat på bedömning av nanomaterials egenskaper är att man kan identifiera de egenskaper som potentiellt skulle kunna göras om för att göra materialen mindre farliga, sa forskarna.
Implementeringen av screening med hög genomströmning leder också till utvecklingen av datorverktyg som hjälper till att göra förutsägelser; i framtiden, mycket av säkerhetsbedömningen av nanomaterial skulle kunna utföras med hjälp av datorprogram som utför smarta modellerings- och simuleringsprocedurer baserade på elektroniska egenskaper.
"Vi kan nu ytterligare förfina testningen av en viktig klass av konstruerade nanomaterial till den nivå där tillsynsmyndigheter kan använda våra förutsägelser och testmetoder, sa Haiyuan Zhang, en postdoktorand forskare vid Center for Environmental Implicatioons of Nanotechnology vid UCLA:s CNSI och huvudförfattaren till studien.
