Le nanoparticelle di dimensioni inferiori a 100 nanometri vengono utilizzate per progettare nuovi materiali e nanotecnologie in una varietà di settori. La loro piccola dimensione significa che queste particelle hanno un rapporto tra superficie e volume molto elevato e le loro proprietà dipendono fortemente dalle loro dimensioni, forma e molecole legate. Ciò offre agli ingegneri una maggiore flessibilità nella progettazione di materiali che possono essere utilizzati nella nostra vita quotidiana. Le nanoparticelle si trovano nelle creme e nei cosmetici per la protezione solare, nonché all'interno del nostro corpo, come veicoli per la somministrazione di farmaci e come agenti di contrasto per i prodotti farmaceutici. Le nanoparticelle d'oro si stanno dimostrando uno strumento di nuova generazione nella nanoingegneria come catalizzatore efficace di dimensioni così ridotte. Però, i nanomateriali rappresentano anche un potenziale rischio, poiché le loro interazioni con la materia vivente e l'ambiente non sono completamente comprese, il che significa che potrebbero non funzionare come previsto, per esempio nel corpo umano.

Mentre gli scienziati sono stati in grado di mettere a punto e ingegnerizzare le proprietà delle nanoparticelle modificandone le dimensioni, forma, chimica di superficie e persino stato fisico, una tale varietà di possibilità significa che anche dettare con precisione come si comportano le particelle su quella piccola scala diventa estremamente difficile. Ciò è particolarmente preoccupante poiché ci basiamo sul potenziale uso di nanoparticelle all'interno del corpo umano. Le nanoparticelle d'oro sono buoni vettori di molecole grandi e piccole, rendendoli ideali per il trasporto di farmaci alle cellule umane. Però, prevedere fino a che punto vengono assorbiti dalle cellule e la loro tossicità, è difficile, così come la comprensione dei rischi associati alla salute derivanti dall'utilizzo di questi nanomateriali.

Una collaborazione europea di ricercatori, compresi scienziati dell'Institut Laue-Langevin (ILL), Università di Tampere, Università di Helsinki, Università norvegese della scienza e della tecnologia, e Université Grenoble Alpes, ha studiato le influenze fisiche e chimiche quando le nanoparticelle d'oro interagiscono con una membrana biologica modello per identificare i meccanismi comportamentali in atto. Comprendere meglio i fattori che determinano se le nanoparticelle sono attratte o respinte dalla membrana cellulare, se sono adsorbiti o interiorizzati, o se causano destabilizzazione della membrana, ci aiuterà a garantire che le nanoparticelle interagiscano con le nostre cellule in modo controllato. Ciò è particolarmente importante quando si utilizzano nanoparticelle d'oro per la somministrazione di farmaci, Per esempio.

Come indicato nel giornale Piccolo , i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di tecniche di diffusione di neutroni e metodi computazionali per studiare l'interazione tra nanoparticelle d'oro cationiche caricate positivamente e membrane lipidiche modello. Lo studio ha mostrato come la temperatura e la carica lipidica modulano la presenza di barriere energetiche che influiscono sull'interazione della nanoparticella con la membrana. Per di più, vengono rivelati diversi meccanismi molecolari per le interazioni nanoparticelle-membrana che spiegano come le nanoparticelle vengono internalizzate nelle membrane lipidiche, e come agiscono in modo cooperativo per destabilizzare una membrana lipidica caricata negativamente.

Utilizzando la dinamica molecolare (MD), un metodo di simulazione computazionale per studiare il movimento degli atomi, i ricercatori hanno dimostrato come le nanoparticelle d'oro hanno interagito all'interno del sistema a livello atomico. Ciò fornisce uno strumento complementare per interpretare e spiegare i dati ottenuti su sistemi reali mediante riflettometria neutronica. Questo studio mostra in modo convincente che la combinazione di scattering di neutroni e metodi computazionali fornisce una migliore comprensione di uno solo dei metodi da solo.

Giovanna Fragneto, Il capo di Soft Matter Science and Support presso ILL ha dichiarato:"Le nanoparticelle si stanno dimostrando uno strumento prezioso per aiutarci ad affrontare una serie di sfide sociali. Ad esempio, così come i meccanismi per la somministrazione dei farmaci, le particelle d'oro possono rivelarsi utili per l'imaging del cancro. Con così tante promesse per il futuro, è importante sviluppare gli strumenti per studiare meglio i nanomateriali, in modo da poterli sfruttare in modo efficace e sicuro. Ciò è reso possibile dagli sviluppi nelle tecniche di scienza dei neutroni e dai progressi nell'ambiente del campione e nella preparazione del campione, eseguita in strutture come ILL."

Marco Maccarini, ricercatore presso l'Université Grenoble Alpes, ha dichiarato:"Ci sono migliaia di diverse nanoparticelle di diverse dimensioni e composizioni, che influenzano tutte le cellule in modo diverso. La complementarità delle tecniche computazionali e dei neutroni evidenziata in questo studio ha contribuito a fornire un'indicazione più chiara di ciò che influenza il comportamento delle nanoparticelle. Questo ci aiuterà a prevedere come le cellule interagiranno con le nanoparticelle in futuro".