Nanomateriales de ingeniería, apreciado por sus propiedades semiconductoras únicas, ya son frecuentes en los productos de consumo diario, desde protectores solares, cosméticos y pinturas hasta textiles y baterías solares, y los pronosticadores económicos predicen que la industria crecerá en un negocio de $ 1 billón en los próximos años. Pero, ¿qué tan seguros son estos materiales?

Debido a que las propiedades semiconductoras de los nanomateriales de óxido de metal podrían traducirse potencialmente en peligros para la salud de los seres humanos, los animales y el medio ambiente, es imperativo, los investigadores dicen, Desarrollar un método para probar rápidamente estos materiales para determinar los peligros potenciales y tomar las medidas preventivas adecuadas.

Con ese fin, Los investigadores de UCLA y sus colegas han desarrollado una nueva tecnología de detección que permite evaluar rápidamente grandes lotes de estos nanomateriales de óxido de metal. basado en su capacidad para desencadenar ciertas respuestas biológicas en las células como resultado de sus propiedades semiconductoras. La investigación se publica en la revista ACS Nano.

Así como los semiconductores pueden inyectar o extraer electrones de materiales industriales, Los nanomateriales semiconductores de óxido metálico pueden tener un efecto de transferencia de electrones cuando entran en contacto con células humanas que contienen moléculas electrónicamente activas. los investigadores encontraron. Y aunque estas reacciones de oxidación-reducción son útiles en la industria, cuando ocurren en el cuerpo, tienen el potencial de generar radicales de oxígeno, que son moléculas de oxígeno altamente reactivas que dañan las células, desencadenando inflamación aguda en los pulmones de humanos y animales expuestos.

En un hallazgo clave, El equipo de investigación predijo que los nanomateriales de óxido de metal y las moléculas electrónicamente activas en el cuerpo deben tener niveles de energía electrónica similares, denominada energía de banda prohibida en el caso del nanomaterial, para que se produzca esta peligrosa transferencia de electrones y se produzca daño oxidativo.

Basado en esta predicción, los investigadores examinaron 24 nanopartículas de óxido metálico para determinar cuáles tenían más probabilidades de provocar toxicidad en condiciones de exposición real. Usando un ensayo de cribado de alto rendimiento (realizado por equipo robótico y un microscopio de captura de imágenes automatizado), Probaron las dos docenas de materiales en una variedad de tipos de células en cuestión de unas pocas horas y encontraron que seis de ellos, aquellos que previamente habían cumplido con los criterios predictivos de los investigadores para ser tóxicos en función de su energía de banda prohibida, conducían a daño en las células.

Luego, el equipo probó los nanomateriales en estudios con animales bien orquestados y descubrió que solo los materiales que habían provocado daño oxidativo en las células eran capaces de generar inflamación en los pulmones de los ratones. confirmando la hipótesis de la banda prohibida de los investigadores.

"La capacidad de hacer tales predicciones, comenzando con células en un tubo de ensayo, y extrapolar los resultados a animales y seres humanos intactos expuestos a óxidos metálicos potencialmente peligrosos, es un gran paso adelante en el control de seguridad de nanomateriales, "dijo el autor principal, el Dr. Andre Nel, jefe de la división de nanomedicina en la Escuela de Medicina David Geffen de UCLA y el Instituto de NanoSistemas de California en UCLA y director del Centro de Implicaciones Ambientales de Nanotecnología de la Universidad de California.

Según los investigadores, esta nueva tecnología de evaluación de la seguridad tiene el potencial de reemplazar las pruebas tradicionales, que actualmente se realiza un material a la vez en estudios con animales que requieren mucha mano de obra utilizando un enfoque de "esperar y ver" que no revela por qué los nanomateriales implicados podrían ser peligrosos. El enfoque predictivo y la técnica de detección del equipo de UCLA podrían acelerar la capacidad de evaluar un gran número de nuevos nanomateriales emergentes en lugar de esperar a que se manifieste su potencial toxicológico antes de que se tomen medidas.

"Ser capaz de integrar las propiedades electrónicas de óxido de metal en una plataforma científica predictiva y de alto rendimiento en este trabajo podría desempeñar un papel importante en el avance de las pruebas de seguridad de nanomateriales en el siglo XXI hacia una estrategia preventiva, en lugar de esperar a que surjan problemas, "Dijo Nel.

Otra gran ventaja de un enfoque basado en la evaluación de las propiedades de los nanomateriales es que se pueden identificar aquellas propiedades que potencialmente podrían rediseñarse para hacer que los materiales sean menos peligrosos. dijeron los investigadores.

La implementación del cribado de alto rendimiento también está conduciendo al desarrollo de herramientas informáticas que ayudan en la elaboración de predicciones; en el futuro, gran parte de la evaluación de la seguridad de los nanomateriales podría llevarse a cabo utilizando programas informáticos que realicen procedimientos inteligentes de modelado y simulación basados ​​en propiedades electrónicas.

"Ahora podemos refinar aún más las pruebas de una clase importante de nanomateriales diseñados al nivel en el que las agencias reguladoras pueden hacer uso de nuestras predicciones y métodos de prueba". "dijo Haiyuan Zhang, investigador postdoctoral en el Centro de Implicaciones Ambientales de la Nanotecnología del CNSI de UCLA y autor principal del estudio.