科学家揭示亲水聚合物涂层应用于纳米颗粒可减轻生态性

纳米颗粒 (NP) 通常用于减少环境污染，针对的是工业和农业活动释放的土壤和水中的有害化学物质。这些 NP 经过设计可吸收、降解或中和这些污染物，为环境污染提供潜在的解决方案。然而，当它们被释放到环境中时，它们可能会被生物体消耗并通过食物链转移，从而导致广泛的性。

为了解决这一问题，冈山大学研究教授 Masazumi Fujiwara 和助理教授 Yajuan Zou 领导的研究小组开发了一种聚合物涂层，可应用于 NPs 以防止生态性。通过改变 NPs 的表面化学性质和电荷，可以改变其结合特性。在 NP 表面引入亲水基团会形成一道屏障，阻止其与生物分子和细胞表面结合。

已知带正电的纳米粒子会因被带负电的细胞表面吸引而在生物体中积聚更多，但最近的报告表明，带负电的纳米粒子积聚得可能比带正电的纳米粒子更多。研究人员在2024年5月7日发表在《Chemosphere》杂志上并于2024年4月20日在线发布的研究中，开发了一种带有负电基团的聚甘油 (PG) 涂层。这种涂层被涂在氧化铁纳米粒子 (ION) 上，发现可以有效减少秀丽隐杆线虫中氧化铁颗粒的积聚，秀丽隐杆线虫是一种广泛用作环境化学模型生物的线虫。

这项研究由冈山大学的 Fujiwara 教授、Zou 博士和 Yuta Nishina 博士、筑波大学的 Yutaka Shikano 博士以及京都大学的 Naoki Komatsu 博士和 Eriko Kage-Nakada 博士共同撰写。

“我们已经证明，PG 嫁接是减少秀丽隐杆线虫中 ION 积累和抑制其易位的有效方法，从而减轻了生殖潜力和存活率等性后果，”Fujiwara 博士说。

研究人员将聚甘油涂层应用于各种尺寸(20 纳米、100 纳米和 200 纳米)的 ION，以创建 ION-PG，旨在评估涂层对各种 NP 尺寸的功效。然后将 ION-PG 悬浮在溶液中，并引入秀丽隐杆线虫。这些线虫处于不同的生命周期阶段(从幼虫到成虫)，使研究人员能够监测它们整个发育过程中的 NP 积累情况。对照组暴露于含有未涂层 ION 的悬浮液中。暴露 24 小时后，收集、清洗线虫，并检查其体内积累的 NP。

PG 涂层可防止 NPs 粘附在生物分子上，从而使它们能够更自由地穿过线虫的肠道并从体内排出。与对照组相比，暴露于 ION-PG 的线虫体内的 NPs 水平较低。最小的 NPs 可以轻松穿过蠕虫，但未检测到。

研究人员进一步研究了电荷基团对NP生物利用度的影响。他们将带正电的氨基和带负电的羧基和硫酸基引入ION-PG，并再次进行实验。他们发现，带负电的粒子比带正电的粒子更容易穿过蠕虫，因为带负电的细胞表面对负电的粒子具有较高的静电排斥力，而对线虫体内的生物分子具有较低的亲和力。

因此，涂层减轻了与 ION-PG 相关的性。研究人员发现，与接触未涂层 NPs 的组相比，接触 ION-PG 的组的生殖能力和寿命都有所改善。

研究人员强调，所开发的涂层还可应用于其他用于环境修复的纳米粒子，如氧化石墨烯和二氧化钛。“我们的研究结果有望促进大量用于环境应用的环保纳米材料的设计和生产，”Fujiwara 博士说。

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