Nanopartiklar på mindre än 100 nanometer används för att konstruera nya material och nanoteknologier inom en mängd olika sektorer. Deras lilla storlek betyder att dessa partiklar har en mycket hög yta till volymförhållande och deras egenskaper beror starkt på deras storlek, form och bundna molekyler. Detta ger ingenjörer större flexibilitet när de designar material som kan användas i vår vardag. Nanopartiklar finns i solkräm och kosmetika samt i våra kroppar, som läkemedelsleveransfordon och som kontrastmedel för läkemedel. Guldnanopartiklar visar sig vara ett nästa generations verktyg inom nanoengineering som en effektiv katalysator vid så små dimensioner. Dock, nanomaterial utgör också en potentiell risk, eftersom deras interaktioner med levande materia och miljön inte är helt förstådda - vilket innebär att de kanske inte fungerar som förväntat, till exempel i människokroppen.

Medan forskare har kunnat finjustera och konstruera egenskaperna hos nanopartiklar genom att ändra storlek, form, ytkemi och till och med fysiskt tillstånd, en sådan mängd olika möjligheter innebär att det också blir extremt svårt att diktera exakt hur partiklarna beter sig i den lilla skalan. Detta är särskilt oroande eftersom vi förlitar oss på den potentiella användningen av nanopartiklar i människokroppen. Guldnanopartiklar är bra bärare av stora och små molekyler, vilket gör dem idealiska för transport av läkemedel till mänskliga celler. Dock, förutsäga hur långt de sedan absorberas av cellerna och deras toxicitet, är svårt, liksom att förstå alla associerade hälsorisker med dessa nanomaterial.

Ett europeiskt samarbete mellan forskare, inklusive forskare från Institut Laue-Langevin (ILL), Tammerfors universitet, Helsingfors universitet, Norska universitetet för vetenskap och teknik, och Université Grenoble Alpes, undersökte de fysiska och kemiska påverkan när guldnanopartiklar interagerar med ett modellbiologiskt membran för att identifiera de beteendemekanismer som äger rum. Bättre förståelse av de faktorer som avgör om nanopartiklar attraheras eller avvisas av cellmembranet, om de är adsorberade eller internaliserade, eller om de orsakar membrandestabilisering, kommer att hjälpa oss att se till att nanopartiklar interagerar med våra celler på ett kontrollerat sätt. Detta är särskilt viktigt när man använder guldnanopartiklar för läkemedelsleverans, till exempel.

Som beskrivs i tidningen Små , forskarna använde en kombination av neutronspridningstekniker och beräkningsmetoder för att studera interaktionen mellan positivt laddade katjoniska guldnanopartiklar och modell lipidmembran. Studien visade hur temperaturen och lipidladdningen modulerar närvaron av energibarriärer som påverkar nanopartikelns interaktion med membranet. Vidare, olika molekylära mekanismer för nanopartikel-membraninteraktioner avslöjas som förklarar hur nanopartiklar blir internaliserade i lipidmembranen, och hur de samarbetar för att destabilisera ett negativt laddat lipidmembran.

Med Molecular Dynamics (MD), en beräkningssimuleringsmetod för att studera atoms rörelse, forskarna visade hur guldnanopartiklar interagerade i systemet på atomnivå. Detta ger ett kompletterande verktyg för att tolka och förklara data som erhållits på verkliga system genom neutronreflektometri. Denna studie visar övertygande att kombinationen av neutronspridning och beräkningsmetoder ger en bättre förståelse än bara en av metoderna ensam.

Giovanna Fragneto, Chef för Soft Matter Science and Support på ILL sa:"Nanopartiklar visar sig vara ett ovärderligt verktyg för att hjälpa oss att hantera ett antal sociala utmaningar. Till exempel, liksom mekanismer för läkemedelsleverans, guldpartiklar kan visa sig vara användbara för canceravbildning. Med så mycket löfte för framtiden, det är viktigt att vi utvecklar verktygen för att bättre undersöka nanomaterial, så vi kan utnyttja dem effektivt och säkert. Detta möjliggörs genom utveckling av neutronvetenskapstekniker och framsteg inom provmiljö och provberedning, utförs på anläggningar som ILL. "

Marco Maccarini, forskare vid Université Grenoble Alpes, sade:"Det finns tusentals olika nanopartiklar av olika storlekar och sammansättningar, som alla påverkar celler olika. Komplementariteten mellan beräknings- och neutrontekniker som lyfts fram i denna studie har bidragit till att ge en tydligare indikation på vad som påverkar beteendet hos nanopartiklar. Detta kommer att hjälpa oss att förutsäga hur celler kommer att interagera med nanopartiklar i framtiden. "