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

Domeradzka-Gajda K1, Nocuń M1, Roszak J1, Janasik B1, Quarles CD Jr2, Wąsowicz W1, Grobelny J3, Tomaszewska E3, Celichowski G3, Ranoszek-Soliwoda K3, Cieślak M4, Puchowicz D4, Gonzalez JJ2, Russo RE2, Stępnik M5: A study on the in vitro percutaneous absorption of silver nanoparticles in combination with aluminum chloride, methyl paraben or di-n-butyl phthalate., Toxicol Lett. 2017 Apr 15;272:38-48. doi:10.1016/j.toxlet.2017.03.006. Epub 2017 Mar 14.
Radtke A1,2, Grodzicka M3,4, Ehlert M5,6, Jędrzejewski T7, Wypij M8, Golińska P9:"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.J Clin Med. 2019 Mar 10;8(3). pii: E334. doi:10.3390/jcm8030334.
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, (2018), Mar 9. doi:10.3389/fmicb.2018.00422,
Ahmed, S., Ahmad, M., Swami, B. L., and Ikram, S.: A review on plants extract mediated synthesis of silver nanoparticles for antimicrobial applications: a green expertise. J. Adv. Res. (2016), 7, 17–28. doi:10.1016/j.jare.2015.02.007
López-Miranda, J.L., Esparza, R., Rosas, G. et al.: Catalytic and antibacterial properties of gold nanoparticles synthesized by a green approach for bioremediation applications, 3 Biotech (2019) 9: 135. doi:10.1007/s13205-019-1666-z
Zhang J.Q., Sun Q., Bo J., Huang R., Zhang M., Xia Z., Ju L., Xiang G. Single-walled carbon nanohorn (SWNH) aggregates inhibited proliferation of human liver cell lines and promoted apoptosis, especially for hepatoma cell lines. Int. J. Nanomed. 2014;9:759–773. doi:10.2147/IJN.S56353.
Makoto Ema, Karin Sørig Hougaard, Atsuo Kishimoto & Kazumasa Honda: Reproductive and developmental toxicity of carbon-based nanomaterials: A literature review, Nanotoxicology, (2016), 10:4, 391–412, doi:10.3109/17435390.2015.1073811
Norihiro Kobayashi, Hiroto Izumi, and Yasuo Morimoto: Review of toxicity studies of carbon nanotubes, J Occup Health. (2017) Sep 20; 59(5): 394–407. Published online 2017 Aug 8. doi:10.1539/joh.17-0089-RA, PMCID: PMC 5635148 (freier Volltext), PMID 28794394.
Ping Xie,1 Sheng-Tao Yang,2,* Tiantian He,3 Shengnan Yang,2 and Xiao-Hai Tang3,* :Bioaccumulation and Toxicity of Carbon Nanoparticles Suspension Injection in Intravenously Exposed Mice,int. J. Mol. Sci. 2017 Dec; 18(12): 2562. Published online 2017 Nov 29. doi:10.3390/ijms18122562
Zhou L, Forman HJ, Ge Y, Lunec J. Multi-walled carbon nanotubes: A cytotoxicity study in relation to functionalization, dose and dispersion. Toxicol In Vitro. 2017;42:292-298.
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, Materials (Basel), Dez (2014), 7770–7780, doi:10.3390/ma7127770
Liu X, Dumitrescu E, Kumar A, Austin D, Goia D, Wallace KN, Andreescu S.: Differential lethal and sublethal effects in embryonic zebrafish exposed to different sizes of silver nanoparticles. Environ Pollut. 2019 Feb 27;248:627-634. doi:10.1016/j.envpol.2019.02.085. PMID 30844699
Asweto CO1, Wu J1, Alzain MA1, Hu H1, Andrea S1, Feng L1, Yang X1, Duan J2, Sun Z3: Cellular pathways involved in silica nanoparticles induced apoptosis: A systematic review of in vitro studies., Environ Toxicol Pharmacol. 2017 Dec;56:191-197. doi:10.1016/j.etap.2017.09.012.
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, First Published February 9, 2016 Research Article
Graverini G1, Piazzini V1, Landucci E2, Pantano D3, Nardiello P3, Casamenti F3, Pellegrini-Giampietro DE2, Bilia AR1, Bergonzi MC4: Solid lipid nanoparticles for delivery of andrographolide across the blood-brain barrier: in vitro and in vivo evaluation., Colloids Surf B Biointerfaces. 2018 Jan 1;161:302-313. doi:10.1016/j.colsurfb.2017.10.062. Epub 2017 Nov 6.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. The authors of the article are listed here. Additional terms may apply for the media files, click on images to show image meta data.

[1] Domeradzka-Gajda K1, Nocuń M1, Roszak J1, Janasik B1, Quarles CD Jr2, Wąsowicz W1, Grobelny J3, Tomaszewska E3, Celichowski G3, Ranoszek-Soliwoda K3, Cieślak M4, Puchowicz D4, Gonzalez JJ2, Russo RE2, Stępnik M5: A study on the in vitro percutaneous absorption of silver nanoparticles in combination with aluminum chloride, methyl paraben or di-n-butyl phthalate., Toxicol Lett. 2017 Apr 15;272:38-48. doi:10.1016/j.toxlet.2017.03.006. Epub 2017 Mar 14.

[2] Radtke A1,2, Grodzicka M3,4, Ehlert M5,6, Jędrzejewski T7, Wypij M8, Golińska P9:"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.J Clin Med. 2019 Mar 10;8(3). pii: 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, (2018), Mar 9. doi:10.3389/fmicb.2018.00422,

[4] Ahmed, S., Ahmad, M., Swami, B. L., and Ikram, S.: A review on plants extract mediated synthesis of silver nanoparticles for antimicrobial applications: a green expertise. J. Adv. Res. (2016), 7, 17–28. doi:10.1016/j.jare.2015.02.007

[5] López-Miranda, J.L., Esparza, R., Rosas, G. et al.: Catalytic and antibacterial properties of gold nanoparticles synthesized by a green approach for bioremediation applications, 3 Biotech (2019) 9: 135. doi:10.1007/s13205-019-1666-z

[6] Zhang J.Q., Sun Q., Bo J., Huang R., Zhang M., Xia Z., Ju L., Xiang G. Single-walled carbon nanohorn (SWNH) aggregates inhibited proliferation of human liver cell lines and promoted apoptosis, especially for hepatoma cell lines. Int. J. Nanomed. 2014;9:759–773. 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, Nanotoxicology, (2016), 10:4, 391–412, doi:10.3109/17435390.2015.1073811

[8] Norihiro Kobayashi, Hiroto Izumi, and Yasuo Morimoto: Review of toxicity studies of carbon nanotubes, J Occup Health. (2017) Sep 20; 59(5): 394–407. Published online 2017 Aug 8. doi:10.1539/joh.17-0089-RA, PMCID: PMC 5635148 (freier Volltext), PMID 28794394.

[9] Ping Xie,1 Sheng-Tao Yang,2,* Tiantian He,3 Shengnan Yang,2 and Xiao-Hai Tang3,* :Bioaccumulation and Toxicity of Carbon Nanoparticles Suspension Injection in Intravenously Exposed Mice,int. J. Mol. Sci. 2017 Dec; 18(12): 2562. Published online 2017 Nov 29. doi:10.3390/ijms18122562

[10] Zhou L, Forman HJ, Ge Y, Lunec J. Multi-walled carbon nanotubes: A cytotoxicity study in relation to functionalization, dose and dispersion. Toxicol In Vitro. 2017;42:292-298.

[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, Materials (Basel), Dez (2014), 7770–7780, doi:10.3390/ma7127770

[12] Liu X, Dumitrescu E, Kumar A, Austin D, Goia D, Wallace KN, Andreescu S.: Differential lethal and sublethal effects in embryonic zebrafish exposed to different sizes of silver nanoparticles. Environ Pollut. 2019 Feb 27;248:627-634. doi:10.1016/j.envpol.2019.02.085. PMID 30844699

[13] Asweto CO1, Wu J1, Alzain MA1, Hu H1, Andrea S1, Feng L1, Yang X1, Duan J2, Sun Z3: Cellular pathways involved in silica nanoparticles induced apoptosis: A systematic review of in vitro studies., Environ Toxicol Pharmacol. 2017 Dec;56:191-197. 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, First Published February 9, 2016 Research Article

[15] Graverini G1, Piazzini V1, Landucci E2, Pantano D3, Nardiello P3, Casamenti F3, Pellegrini-Giampietro DE2, Bilia AR1, Bergonzi MC4: Solid lipid nanoparticles for delivery of andrographolide across the blood-brain barrier: in vitro and in vivo evaluation., Colloids Surf B Biointerfaces. 2018 Jan 1;161:302-313. doi:10.1016/j.colsurfb.2017.10.062. Epub 2017 Nov 6.