En ny studie finner skäl till försiktighet - en tydlig uppkomst av toxicitet - i nanomaterialproduktformuleringar, men det ger också en tidig testteknik som kan hjälpa branschen att fortsätta gå framåt.

I en överraskande upptäckt, Kemister från University of Oregon och toxikologer från Oregon State University fann att biokompatibla guldnanopartiklar och allmänt använda ytaktiva ämnen - som var och en tidigare ansågs vara säkra som individuella komponenter - blir giftiga för zebrafiskembryon när de kombineras på ett synergistiskt sätt.

Det synergistiska, eller multiplikativ effekt, upptäcktes när man använde ett nytt leveranssystem när man testade nanomaterial, forskarteamet med fyra medlemmar noterade i en artikel som publicerades online den 26 april och i tryck den 26 juni ACS Nano .

"År efter att ha visat att dessa material var de mest godartade och bland de minst giftiga materialen som vi någonsin har sett, vi gjorde dessa experiment med de ytaktiva medlen och fann att, I detta fall, de var giftiga, " sa medförfattaren Jim Hutchison vid UO:s avdelning för kemi och biokemi.

"Vår nya studie ger oss ett wakeup call, " sa han. "Det här är inte första gången som folk har sett blandningstoxicitet, men det påminner oss om att två säkra saker blandade betyder inte att blandningen är säker."

Det är inte klart, han sa, om toxicitet hos zebrafisk tyder på ett hot mot människors hälsa.

I nanoteknikens linda, Toxikologer levererade nanopartiklar till zebrafiskar med hjälp av pipetter. Hutchison och OSU medförfattare Robert Tanguay hade tidigare funnit att oorganiska nanopartiklar och ytaktiva ämnen, individuellt, var inte giftiga för zebrafiskar.

Dock, en övergång till automatisering – att använda bläckstråleskrivareliknande enheter för att snabbt injicera material som använder små mängder ytaktivt ämne för att kontrollera storleken på de levererade dropparna – gav oförutsedda effekter.

Den nya studien fann en dödlighet på 88 procent av embryon från zebrafisk exponerade för guldnanopartiklar blandade med polysorbat 20, medan pipettleverans enbart av nanopartiklarna resulterade i bara 3 procents toxicitet.

Polysorbater är ytaktiva ämnen och emulgeringsmedel som vanligtvis används i tvättmedel, solkrämer, kosmetika och glass. Teamet fann också synergistisk toxicitet med två andra vanliga ytaktiva ämnen, polysorbat 80 och natriumdodecylsulfat.

I projektet, forskarna undersökte på nytt toxiciteten hos nanopartiklar som hade studerats som en del av Safer Nanomaterials and Nanomanufacturing Initiative, som finansierades av Air Force Research Laboratory. National Science Foundation och National Institutes of Health stödde det senaste arbetet.

Orsaken till den synergistiska toxiciteten upptäcktes när material analyserades med diffusionsordnad NMR-spektroskopi, en anpassning av kärnmagnetisk resonans som avslöjar hur partiklar rör sig, eller diffus, i lösning.

När ökande mängder ytaktiva ämnen tillsattes, forskarna observerade att partiklarna diffunderade långsammare eftersom det ytaktiva medlet samlas på utsidan av guldnanopartiklarna, leder till både ökat upptag och toxicitet, drivs av ytstruktur, i zebrafisken.

"Vår NMR-metod gjorde det möjligt för oss att konstatera att denna synergistiska toxicitet verkligen är relaterad till interaktionen mellan dessa två godartade material och att den genererar något som är mer giftigt, " sa Hutchison.

Den snabba screeningmetod som används i forskningen, han sa, skulle kunna fungera som en tidig screeningmetod. Det skulle möjliggöra justeringar i formuleringar eller omdesign av enskilda ingredienser innan stora investeringar har gjorts, för att säkerställa att produkterna är säkra, sa Hutchison.

"Zebrafisk har visat sig vara en kraftfull laboratoriemodell för screening med hög genomströmning som hjälper oss att snabbt upptäcka om kemiska blandningar är farliga, " sa Tanguay. "Det är inte en människa, men de biologiska likheterna mellan människa och zebrafisk är anmärkningsvärt stora, så fynd hos zebrafisk förutsäger ofta mänskliga faror."

Hutchison och Tanguay är internationellt kända för banbrytande användning av grön kemi, även känd som hållbar kemi, vid design av nanopartiklar. Tekniken utnyttjar molekylära designprinciper för att producera säkrare kemikalier, minska toxiciteten och minimera avfallet.

Aurora L. Ginzburg, en UO-doktorand som arbetar med syntesen av guldnanopartiklar för biomedicinskt bruk, ledde analysinsatserna med hjälp av utrustning i UO:s Center for Advanced Materials Characterization i Oregon, känd som CAMCOR. Lisa Truong, biträdande chef för OSU:s Sinnhuber Aquatic Research Laboratory, var också medförfattare. Hennes fokus är att använda den utvecklande zebrafiskmodellen för att bedöma säkerheten för kemikalier och produkter i handeln.