科学家帮助我们理解和预测纳米粒子与生物系统是如何作用的

个人电子设备是世界电子垃圾不断增长的来源。 虽然这些产品大多使用纳米材料，但我们对纳米材料与环境之间如何作用仍知之甚少。目前，化学家发现，某些涂覆的纳米粒子与生物体相互作用时会使纳米产生新的特性进而会导致纳米粒子变粘。直径为5纳米的纳米颗粒会形成尺寸为微米级的海藻状结构，但其对细胞的影响尚不清楚。

个人电子设备主要包括智能手机，电脑，电视，平板电脑以及各种电子银幕是世界电子垃圾不断增长的主要原因。 这些产品大多使用纳米材料，但我们对这些现代材料及其微小颗粒与环境和生物是如何作用的知之甚少。

近来，国家可持续纳米技术中心的西北大学化学家及其同事所在的研究小组发现，将某些涂层纳米粒子与生物体相互作用时，纳米粒子会变粘进而产生新的特性。在颗粒上形成的碎片状脂质冠状物，使它们粘在一起长成长长的海带状的链条形状。 直径为5纳米的纳米颗粒在溶液中形成尺寸为微米级的长链条结构，但其对细胞的影响尚不清楚。

“为什么不从头开始做一个良性的粒子？”西北大学Weinberg艺术与科学学院的化学教授及西北部研究的领导人Franz M. Geiger说。

“这项研究在分子理论上提出了纳米粒子与生物系统是如何相互作用的，”Geiger说。 “这将会帮助我们理解和预测什么样的纳米材料/配体涂层组合会对生物细胞产生威害，而另一些则不会，由此我们可以利用它来设计出符合设计要求的纳米颗粒。”

通过实验和计算机模拟，研究小组研究了带正电荷的珠子的金纳米粒子如何与各种双层膜模型相互作用。 研究人员发现，在颗粒周围会形成一层近乎圆形的脂质物质，但在膜形成之前从未见过这些“片状脂质冠状物”。

该研究表明科学家们可以利用这些发现为纳米粒子设计一种更好的配体涂层（配体用于纳米材料的分层），避免磷酸铵相互作用，从而解决化学团聚的问题。

研究结果于10月18日发表在Chem杂志上。

Geiger是该研究的通讯作者。 其他合作伙伴是可持续纳米技术中心其他机构的科学家。 该中心位于威斯康星大学麦迪逊分校，主要研究纳米材料及其与环境的相互作用，其中包括对生物系统的消极和积极方面。

“纳米粒子吸收了一部分的脂质细胞膜，就像在雪地上滚雪球一样，它们开始变得粘稠，”盖格说。 “这种意想不到的效果是由于纳米颗粒的存在而产生的。我们可以利用这个效果将脂质带到不适合脂质的细胞中。”

这些实验是在理想化的实验环境中进行的，与夏末在垃圾填埋场（在21-220C，地下几英尺处，土壤和地下水混合，食物链开始的地方）发现的环境有关。

通过将光谱成像实验与原子粗粒模拟相结合，研究人员发现，生物膜的脂质基团与纳米颗粒包裹物中的聚铵根阳离子基团之间的离子配对导致片段化的脂质冠状物的形成。这些脂质冠状物为直径小于10纳米的颗粒，并为其带来了新的性质，主要包括成分和粘性。

该研究的结果有助于预测纳米工程材料的影响，纳米工程材料一旦进入食物链，就会对纳米粒子的性质产生影响，而在将来会有许多人最终会这样做。

“新技术和大众消费产品的出现使纳米材料成为关键的操作组件，”Geiger说。 “我们可以将现有的纳米材料生产模式推向公司设计纳米材料，从一开始就使用具有可持续性的模式，而不是冒着昂贵的产品召回风险，或者更糟糕的是，在未来的道路上召回产品。