Biokompatibilität von Nanomaterial

Die Biokompatibilität von Nanomaterial bezeichnet den Einfluss von Nanomaterial auf Mensch und Umwelt.

Nanoröhren, angefärbte Mikroskopaufnahme von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren, jedes 40 Mikrometer lang, die mehr als 99,9 % des Lichts eines fasergekoppelten Radiometers absorbieren.

Die Biokompatibilität und Zytotoxizität von Nanotubes (Nanoröhren) mit einem Durchmesser von 10–15 nm und einer Länge von 1000 nm wurden in Tierversuchen erforscht. Nanoröhren sind meistens Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT), funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren (siehe Kohlenstoff-Nanoröhren-Chemie), Silikatnanoröhren oder funktionalisierte Silikatnanoröhren.

Nanogold (Goldpartikel auf Kohlenstoffnanokabel), Aufnahme eines Scan-Elektronenmikroskops

Nanopartikel von wenigen Nanometern Durchmesser können unter anderem aus Kohlenstoff, Silikat, Gold, Silber, Zinkoxid oder Titandioxid bestehen.

Anwendungsmöglichkeiten von Nanomaterialien

Nanopartikel (gelb) in Krebszellen (blau)

Die Anwendungsmöglichkeiten von Nanomaterial sind beispielsweise im medizinischen und pharmakologischen Bereich, wie in der Forschung zur Krebstherapie. Sie werden in der Tumorforschung eingesetzt, aber außerhalb des Labors kann Nanomaterial in Gebrauchsgegenständen eventuell schädlich sein. Die Nanopartikel können eventuell die Blut-Hirn-Schranke passieren, was für manche pharmakologischen Anwendungen erwünscht ist – sie können sich aber auch in der Lunge festsetzen.

Silbernanopartikel

Silbernanopartikel werden als Zusatzstoffe in Sonnencremes verwendet. Silbernanopartikel dringen nicht tiefer in die Haut ein, wenn sie mit Aluminiumchlorid, Methylparaben oder Di-n-butylphthalat als Sonnencreme auf die Haut aufgetragen werden. Die größte Menge Silber, die die Haut durchdringt, war 0,45 ng/cm2(0,365–0,974 ng/cm2) für PEG-stabilisierte Silbernanopartikel mit Methylparaben.[1][2]

Goldnanopartikel

Goldnanopartikel haben eine Größe von 0,8 bis 1,8 nm. Sie haben antimikrobielle Wirkung und können als Pharmazeutika Anwendung finden. Aloysia triphylla-Extrakte machen eine Synthese von Goldnanopartikeln möglich, und die erhaltenen Nanopartikel können wegen ihrer antibakteriellen und katalytischen Wirkung zur Wasseraufbereitung verwendet werden.[3][4] [5]

Studien über Toxizität von Nanoröhren und Nanopartikeln

Es gibt unterschiedliche Forschungsergebnisse verschiedener Studien:

Kohlenstoffnanotubes

Kohlenstoffnanotubes (CNTs) zeigen Toxizität.[6] CNTs waren nach Injektion embryolethal und teratogen bei Mäusen, und Hühnerembryos zeigten eine Wachstumsverzögerung.[7] Man nimmt an, dass CNTs karzinogen sind und Lungentumore verursachen können.[8]

Nach Erkenntnissen einer anderen Studie zeigt die Injektion von Kohlenstoffnanoröhren bei Mäusen keine Symptome.[9]

Funktionalisierte mehrwandige Kohlenstoffnanotubes

Die Forschungen haben ergeben, dass reine Nanotubes mehr Zellen abtöten als die funktionalisierten multiwall-CNTs, dass diese aber dafür gentoxischer sind.[10]

Silikatnanotubes

Die Toxizität wurde an Glioblastomazellen von Ratten erforscht. Die Experimente zeigten, dass Aluminiumsilikatnanotubes eine hohe Biokompatibilität und eine niedrige Zytotoxizität haben, werden sie jedoch mit Silanen funktionalisiert, zeigen sie eine hohe Zelltoxizität. Diese Resultate deuten auf potentielle Anwendungsmöglichkeiten in der Tumortherapie hin.[11]

Silbernanopartikel

Silbernanopartikel einer Größe von 10–100 nm sind tödlich für Zebrafischembryos, da sie ein Stickoxid-Ungleichgewicht verursachen können.[12]

Siliziumnanopartikel

Eine andere Studie zeigt die Fähigkeit von Siliziumnanopartikeln, durch Schädigung der DNA und der Mitochondrien und durch die Begünstigung von Tumorbildung den Zelltod herbeizuführen, ähnlich wie Stickoxide.[13]

Zinkoxidnanopartikel

Eine Studie zeigt, dass Zinkoxid-Nanopartikel mehr toxikologische Eigenschaften haben im Vergleich zu größeren Teilchen, was man an Veränderungen im Blutbild sehen kann und an pathologischem Befund im Nieren- und Lebergewebe.[14]

Flüssigkristalline Nanopartikel

Flüssigkristalline Nanopartikel können bei Ratten die Blut-Hirnschranke überwinden.[15]

Weblinks

Commons: Nanotubes – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ K. Domeradzka-Gajda, M. Nocuń, J. Roszak, B. Janasik, C. D. Quarles Jr, W. Wąsowicz, J. Grobelny, E. Tomaszewska, G. Celichowski, K. Ranoszek-Soliwoda, M. Cieślak, D. Puchowicz, J. J. Gonzalez, R. E. Russo, M. Stępnik: A study on the in vitro percutaneous absorption of silver nanoparticles in combination with aluminum chloride, methyl paraben or di-n-butyl phthalate. In: Toxicol Lett. Band 272, 15. Apr 2017, S. 38–48. doi:10.1016/j.toxlet.2017.03.006.
  2. ↑ A. Radtke, M. Grodzicka, M. Ehlert, T. Jędrzejewski, M. Wypij, P. Golińska: "To Be Microbiocidal and Not to Be Cytotoxic at the Same Time…"-Silver Nanoparticles and Their Main Role on the Surface of Titanium Alloy Implants. In: J Clin Med. Band 8, Nr. 3, 10. Mar 2019 S. E334. doi:10.3390/jcm8030334.
  3. ↑ Anupriya Baranwal, Ananya Srivastava, Pradeep Kumar, Vivek K Bajpai, Pawan K Maurya, et al.: Prospects of Nanostructure Materials and Their Composites as Antimicrobial Agents. In: Frontiers in microbiology. 9. Mar 2018. doi:10.3389/fmicb.2018.00422,
  4. ↑ S. Ahmed, M. Ahmad, B. L. Swami, S. Ikram: A review on plants extract mediated synthesis of silver nanoparticles for antimicrobial applications: a green expertise. In: J. Adv. Res. Band 7, Nr. 1, 2016, S. 17–28. doi:10.1016/j.jare.2015.02.007
  5. ↑ J. L. López-Miranda, R. Esparza, G. Rosas et al.: Catalytic and antibacterial properties of gold nanoparticles synthesized by a green approach for bioremediation applications. In: 3 Biotech. Band 9, 2019, S. 135. doi:10.1007/s13205-019-1666-z
  6. ↑ J. Q. Zhang, Q. Sun, J. Bo, R. Huang, M. Zhang, Z. Xia, L. Ju, G. Xiang: Single-walled carbon nanohorn (SWNH) aggregates inhibited proliferation of human liver cell lines and promoted apoptosis, especially for hepatoma cell lines. In: Int. J. Nanomed. Band 9, 2014, S. 759–773. doi:10.2147/IJN.S56353.
  7. ↑ Makoto Ema, Karin Sørig Hougaard, Atsuo Kishimoto, Kazumasa Honda: Reproductive and developmental toxicity of carbon-based nanomaterials: A literature review. In: Nanotoxicology. Band 10, Nr. 4, 2016, S. 391–412, doi:10.3109/17435390.2015.1073811
  8. ↑ Norihiro Kobayashi, Hiroto Izumi, Yasuo Morimoto: Review of toxicity studies of carbon nanotubes. In: J Occup Health. Band 59, Nr. 5, 20. Sep 2017, S. 394–407. doi:10.1539/joh.17-0089-RA, PMC 5635148 (freier Volltext). PMID 28794394.
  9. ↑ Ping Xie, Sheng-Tao Yang, Tiantian He, Shengnan Yang, Xiao-Hai Tang: Bioaccumulation and Toxicity of Carbon Nanoparticles Suspension Injection in Intravenously Exposed Mice. In: Int. J. Mol. Sci. Band 18, Nr. 12, Dez 2017, S. 2562. doi:10.3390/ijms18122562
  10. ↑ L. Zhou, H. J. Forman, Y. Ge, J. Lunec: Multi-walled carbon nanotubes: A cytotoxicity study in relation to functionalization, dose and dispersion. In: Toxicol In Vitro. Band 42, 2017, S. 292–298.
  11. ↑ A. Sanchez-Fernandez, L. Pena-Paras, R. Vidaltamayo, R. Cue-Sampedro, A. Mendoza-Martinez, V. Zomosa-Signoret, A. Rivas-Estilla, P. Riojas: Synthesization, Characterization and in Vitro Evaluation of Cytotoxity of Biomaterials Based on Hallosite Nanotubes. In: Materials. (Basel), Dez 2014, S. 7770–7780, doi:10.3390/ma7127770
  12. ↑ X. Liu, E. Dumitrescu, A. Kumar, D. Austin, D. Goia, K. N. Wallace, S. Andreescu: Differential lethal and sublethal effects in embryonic zebrafish exposed to different sizes of silver nanoparticles. In: Environ Pollut. Band 248, 27. Feb 2019, S. 627–634. doi:10.1016/j.envpol.2019.02.085. PMID 30844699
  13. ↑ C. O. Asweto, J. Wu, M. A. Alzain, H. Hu, S. Andrea, L. Feng, X. Yang, J. Duan, Z. Sun: Cellular pathways involved in silica nanoparticles induced apoptosis: A systematic review of in vitro studies. In: Environ Toxicol Pharmacol. Band 56, Dez 2017, S. 191–197. doi:10.1016/j.etap.2017.09.012.
  14. ↑ Anurag Kumar Srivastav, Mahadeo Kumar, Nasreen Ghazi Ansari, et al.: A comprehensive toxicity study of zinc oxide nanoparticles versus their bulk in Wistar rats: Toxicity study of zinc oxide nanoparticles. 9. Februar 2016. doi:10.1177/0960327116629530
  15. ↑ G. Graverini, V. Piazzini, E. Landucci, D. Pantano, P. Nardiello, F. Casamenti, D. E. Pellegrini-Giampietro, A. R. Bilia, M. C. Bergonzi: Solid lipid nanoparticles for delivery of andrographolide across the blood-brain barrier: in vitro and in vivo evaluation. In: Colloids Surf B Biointerfaces. Band 161, 1. Jan 2018, S. 302–313. doi:10.1016/j.colsurfb.2017.10.062.

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Nanoparticles (yellow) targeting and entering cancer cells (blue).png
Nano particles injected into a tumor to use photothermal therapy
Nanogold.jpg
Autor/Urheber: Fdenicola, Lizenz: CC BY-SA 4.0
SEM image in cross section of a carbon nanotube film deposited on silicon. Au nanoparticles were deposited on carbon nanotubes.
Nanotubes (6648550295).jpg

Colorized micrograph of multi-walled carbon nanotubes, each 40 micrometers long, which absorb more than 99.9 percent of the light inside NISTs prototype fiber-coupled radiometer.

See also www.nist.gov/pml/div686/radiometer-122011.cfm.

Credit: Huang/NanoLab, colorized by Talbott/NIST

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