Nanomateriali ingegnerizzati, apprezzati per le loro proprietà semiconduttive uniche, sono già prevalenti nei prodotti di consumo di tutti i giorni:dai filtri solari, cosmetici e vernici per tessuti e batterie solari - e gli esperti di previsioni economiche prevedono che l'industria crescerà in un business da 1 trilione di dollari nei prossimi anni. Ma quanto sono sicuri questi materiali?
Poiché le proprietà dei semiconduttori dei nanomateriali di ossido di metallo potrebbero potenzialmente tradursi in rischi per la salute dell'uomo, animali e ambiente, è imperativo, i ricercatori dicono, sviluppare un metodo per testare rapidamente questi materiali per determinare i potenziali pericoli e intraprendere azioni preventive appropriate.
A quello scopo, I ricercatori dell'UCLA e i loro colleghi hanno sviluppato una nuova tecnologia di screening che consente di valutare rapidamente grandi lotti di questi nanomateriali di ossido di metallo, in base alla loro capacità di innescare determinate risposte biologiche nelle cellule come risultato delle loro proprietà di semiconduttori. La ricerca è pubblicata sulla rivista ACS Nano.
Proprio come i semiconduttori possono iniettare o estrarre elettroni da materiali industriali, i nanomateriali semiconduttori di ossido di metallo possono avere un effetto di trasferimento di elettroni quando entrano in contatto con cellule umane che contengono molecole elettronicamente attive, i ricercatori hanno scoperto. E mentre queste reazioni di ossidoriduzione sono utili nell'industria, quando si verificano nel corpo hanno il potenziale per generare radicali dell'ossigeno, che sono molecole di ossigeno altamente reattive che danneggiano le cellule, innescando un'infiammazione acuta nei polmoni di esseri umani e animali esposti.
In una scoperta chiave, il team di ricerca ha predetto che i nanomateriali di ossido di metallo e le molecole elettronicamente attive nel corpo devono avere livelli di energia degli elettroni simili - chiamata energia band-gap nel caso del nanomateriale - affinché si verifichi questo pericoloso trasferimento di elettroni e si verifichi un danno ossidativo.
Sulla base di questa previsione, i ricercatori hanno esaminato 24 nanoparticelle di ossido di metallo per determinare quali avevano maggiori probabilità di provocare tossicità in caso di esposizione nella vita reale. Utilizzando un test di screening ad alta produttività (eseguito da apparecchiature robotiche e un microscopio automatizzato per l'acquisizione di immagini), hanno testato le due dozzine di materiali su una varietà di tipi di cellule nel giro di poche ore e hanno scoperto che sei di loro – quelli che in precedenza avevano soddisfatto i criteri predittivi dei ricercatori per essere tossici in base alla loro energia band-gap – hanno portato all'ossidazione danno nelle cellule.
Il team ha quindi testato i nanomateriali in studi sugli animali ben orchestrati e ha scoperto che solo quei materiali che avevano portato a danni ossidativi nelle cellule erano in grado di generare infiammazione nei polmoni dei topi, confermando l'ipotesi del band-gap dei ricercatori.
"La capacità di fare tali previsioni, iniziando con le cellule in una provetta, ed estrapolando i risultati ad animali e esseri umani intatti esposti a ossidi metallici potenzialmente pericolosi, è un enorme passo avanti nello screening di sicurezza dei nanomateriali, " ha detto l'autore senior Dr. Andre Nel, capo della divisione di nanomedicina presso la David Geffen School of Medicine dell'UCLA e il California NanoSystems Institute dell'UCLA e direttore del Center for Environmental Implications of Nanotechnology dell'Università della California.
Secondo i ricercatori, questa nuova tecnologia di valutazione della sicurezza ha il potenziale per sostituire i test tradizionali, che viene attualmente eseguito un materiale alla volta in studi sugli animali ad alta intensità di lavoro utilizzando un approccio "aspetta e vedi" che non rivela perché i nanomateriali implicati potrebbero essere pericolosi. L'approccio predittivo e la tecnica di screening del team dell'UCLA potrebbero accelerare la capacità di valutare un gran numero di nuovi nanomateriali emergenti piuttosto che aspettare che il loro potenziale tossicologico si manifesti prima di intraprendere un'azione.
"Essere in grado di integrare le proprietà elettroniche dell'ossido di metallo in una piattaforma scientifica predittiva e ad alto rendimento in questo lavoro potrebbe svolgere un ruolo importante nel far avanzare i test di sicurezza dei nanomateriali nel 21° secolo verso una strategia preventiva, piuttosto che aspettare che emergano problemi, " Ha detto Nel.
Un altro grande vantaggio di un approccio basato sulla valutazione delle proprietà dei nanomateriali è che si possono identificare quelle proprietà che potrebbero essere potenzialmente ridisegnate per rendere i materiali meno pericolosi, hanno detto i ricercatori.
L'implementazione dello screening ad alto rendimento sta anche portando allo sviluppo di strumenti informatici che aiutano a fare previsioni; nel futuro, gran parte della valutazione della sicurezza dei nanomateriali potrebbe essere effettuata utilizzando programmi per computer che eseguono procedure di modellazione e simulazione intelligenti basate su proprietà elettroniche.
"Ora possiamo perfezionare ulteriormente i test di un'importante classe di nanomateriali ingegnerizzati al livello in cui le agenzie di regolamentazione possono utilizzare le nostre previsioni e metodi di test, " ha detto Haiyuan Zhang, uno studioso di ricerca post-dottorato presso il Center for Environmental Implicatioons of Nanotechnology presso il CNSI dell'UCLA e l'autore principale dello studio.
