Appareils électroniques personnels—smartphones, des ordinateurs, téléviseurs, comprimés, écrans de toutes sortes - sont une source importante et croissante de déchets électroniques dans le monde. Beaucoup de ces produits utilisent des nanomatériaux, mais on sait peu de choses sur la façon dont ces matériaux modernes et leurs minuscules particules interagissent avec l'environnement et les êtres vivants.

Maintenant, une équipe de recherche de chimistes de la Northwestern University et de collègues du Centre national pour la nanotechnologie durable a découvert que lorsque certaines nanoparticules enrobées interagissent avec des organismes vivants, il en résulte de nouvelles propriétés qui rendent les nanoparticules collantes. Des couronnes lipidiques fragmentées se forment sur les particules, les obligeant à coller ensemble et à devenir de longs brins ressemblant à du varech. Les nanoparticules de 5 nanomètres de diamètre forment de longues structures de quelques microns en solution. L'impact sur les cellules n'est pas connu.

« Pourquoi ne pas créer une particule bénigne dès le début ? » dit Franz M. Geiger, professeur de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Il a dirigé la partie nord-ouest de la recherche.

"Cette étude donne un aperçu des mécanismes moléculaires par lesquels les nanoparticules interagissent avec les systèmes biologiques, " a déclaré Geiger. "Cela peut nous aider à comprendre et à prédire pourquoi certaines combinaisons de revêtements nanomatériaux/ligands sont préjudiciables aux organismes cellulaires alors que d'autres ne le sont pas. Nous pouvons l'utiliser pour concevoir des nanoparticules qui sont bénignes par conception. »

À l'aide d'expériences et de simulations informatiques, l'équipe de recherche a étudié des nanoparticules d'or enveloppées de polycations et leurs interactions avec une variété de modèles de membranes bicouches, y compris les bactéries. Les chercheurs ont découvert qu'une couche presque circulaire de lipides se forme spontanément autour des particules. Ces « couronnes lipidiques fragmentées » n'ont jamais été vues auparavant.

L'étude pointe vers la résolution de problèmes avec la chimie. Les scientifiques peuvent utiliser les résultats pour concevoir un meilleur revêtement de ligand pour les nanoparticules qui évite l'interaction ammonium-phosphate, qui provoque l'agrégation. (Les ligands sont utilisés dans les nanomatériaux pour la stratification.)

Les résultats seront publiés le 18 octobre dans la revue Chimie .

Geiger est l'auteur correspondant de l'étude. Parmi les autres auteurs figurent des scientifiques des autres partenaires institutionnels du Center for Sustainable Nanotechnology. Basé à l'Université du Wisconsin-Madison, le centre étudie les nanomatériaux manufacturés et leur interaction avec l'environnement, y compris les systèmes biologiques, à la fois les aspects négatifs et positifs.

"Les nanoparticules ramassent des parties de la membrane cellulaire lipidique comme une boule de neige roulant dans un champ de neige, et ils deviennent collants, " Geiger a déclaré. "Cet effet involontaire se produit en raison de la présence de la nanoparticule. Il peut apporter des lipides à des endroits dans les cellules où les lipides ne sont pas censés être. »

Les expériences ont été menées dans des environnements de laboratoire idéalisés qui sont néanmoins pertinents pour les environnements trouvés à la fin de l'été dans une décharge - à 21-22 degrés Celsius et à quelques pieds sous terre, là où le sol et les eaux souterraines se mélangent et où commence la chaîne alimentaire.

En associant des expériences spectroscopiques et d'imagerie à des simulations atomistiques et à gros grains, les chercheurs ont identifié que l'appariement des ions entre les groupes de tête lipidique des membranes biologiques et les groupes ammonium des polycations dans l'enveloppement des nanoparticules conduit à la formation de couronnes lipidiques fragmentées. Ces couronnes engendrent de nouvelles propriétés, y compris la composition et l'adhésivité, aux particules de diamètre inférieur à 10 nanomètres.

Les informations de l'étude aident à prédire l'impact de l'utilisation de plus en plus répandue des nanomatériaux manufacturés sur le sort des nanoparticules une fois qu'elles entrent dans la chaîne alimentaire, ce que beaucoup d'entre eux finiront par faire.

« De nouvelles technologies et des produits de consommation de masse émergent qui présentent des nanomatériaux comme composants opérationnels critiques, " a déclaré Geiger. " Nous pouvons changer le paradigme existant dans la production de nanomatériaux vers un modèle dans lequel les entreprises conçoivent les nanomatériaux pour qu'ils soient durables dès le début, au lieu de risquer des rappels de produits coûteux - ou pire - sur la route. "