Personliga elektroniska enheter – smartphones, datorer, TV-apparater, tabletter, skärmar av alla slag — är en betydande och växande källa till världens elektroniska avfall. Många av dessa produkter använder nanomaterial, men lite är känt om hur dessa moderna material och deras små partiklar interagerar med miljön och levande varelser.

Nu har ett forskarlag av kemister från Northwestern University och kollegor från det nationella centrumet för hållbar nanoteknologi upptäckt att när vissa belagda nanopartiklar interagerar med levande organismer resulterar det i nya egenskaper som gör att nanopartiklarna blir klibbiga. Fragmenterade lipidkoronas bildas på partiklarna, får dem att hålla ihop och växa till långa kelpliknande strängar. Nanopartiklar med 5 nanometers diameter bildar långa strukturer som är mikron i storlek i lösning. Effekten på celler är inte känd.

"Varför inte göra en partikel som är godartad från början?" sa Franz M. Geiger, professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Han ledde den nordvästra delen av forskningen.

"Denna studie ger insikt i de molekylära mekanismerna genom vilka nanopartiklar interagerar med biologiska system, ", sade Geiger. "Detta kan hjälpa oss att förstå och förutsäga varför vissa kombinationer av nanomaterial/ligandbeläggning är skadliga för cellulära organismer medan andra inte är det. Vi kan använda detta för att konstruera nanopartiklar som är godartade genom design."

Med hjälp av experiment och datorsimuleringar, forskargruppen studerade polykatjonlindade guldnanopartiklar och deras interaktioner med en mängd olika dubbelskiktsmembranmodeller, inklusive bakterier. Forskarna fann att ett nästan cirkulärt lager av lipider bildas spontant runt partiklarna. Dessa "fragmenterade lipidkoronas" har aldrig setts förut.

Studien pekar på att lösa problem med kemi. Forskare kan använda resultaten för att designa en bättre ligandbeläggning för nanopartiklar som undviker ammonium-fosfatinteraktionen, som orsakar aggregeringen. (Ligander används i nanomaterial för skiktning.)

Resultaten kommer att publiceras den 18 oktober i tidskriften Chem .

Geiger är studiens motsvarande författare. Andra författare inkluderar forskare från Center for Sustainable Nanotechnologys andra institutionella partners. Baserad vid University of Wisconsin-Madison, centret studerar konstruerade nanomaterial och deras interaktion med miljön, inklusive biologiska system – både de negativa och positiva aspekterna.

"Nanopartiklarna tar upp delar av lipidcellmembranet som en snöboll som rullar i ett snöfält, och de blir klibbiga, " Sade Geiger. "Denna oavsiktliga effekt inträffar på grund av närvaron av nanopartikeln. Det kan föra lipider till platser i celler där lipider inte är avsedda att vara."

Experimenten utfördes i idealiserade laboratoriemiljöer som ändå är relevanta för miljöer som hittades under sensommaren på en soptipp – vid 21-22 grader Celsius och ett par fot under marken, där jord och grundvatten blandas och näringskedjan börjar.

Genom att para ihop spektroskopiska och avbildningsexperiment med atomistiska och grovkorniga simuleringar, forskarna identifierade att jonparning mellan lipidhuvudgrupperna i biologiska membran och polykatjonernas ammoniumgrupper i nanopartikelomslaget leder till bildandet av fragmenterade lipidkoronas. Dessa koronor skapar nya egenskaper, inklusive komposition och klibbighet, till partiklarna med diametrar under 10 nanometer.

Studiens insikter hjälper till att förutsäga den inverkan som den allt mer utbredda användningen av konstruerade nanomaterial har på nanopartiklarnas öde när de väl kommer in i näringskedjan, vilket många av dem kan göra så småningom.

"Ny teknik och masskonsumentprodukter växer fram som innehåller nanomaterial som kritiska driftskomponenter, ", sa Geiger. "Vi kan vända det befintliga paradigmet inom nanomaterialproduktion mot ett där företag designar nanomaterial för att vara hållbara från början, i motsats till att riskera dyra produktåterkallelser - eller ännu värre - på vägen."