Physicochemical characterization of the evolution of metal nanoparticles in biological and environmental media: from synthesis to interaction with living organisms

Abstract

La producció creixent de Nanopartícules (NPs) conduirà inevitablement a un augment d’exposició humana i ambiental a aquests materials. En conseqüència, han sorgit preocupacions raonables sobre els seus possibles riscos per a la seguretat, donant lloc a la disciplina de nanotoxicologia/nanoseguretat.

A causa de l’alta reactivitat, les NP exposades a diferents escenaris biològics i ambientals, solen arribar a un estat termodinàmic més estable mitjançant l’agregació, la interacció amb les molècules presents al medi, l’adsorció a matèria macro-orgànica, les transformacions químiques i la dissolució. Totes aquestes transformacions poden generar una nova identitat dels nanoobjectes o produir noves entitats químiques, canviant així el seu comportament i, per tant, el risc potencial associat. Així, els mateixos NP poden tenir un destí totalment diferent i, en conseqüència, un impacte totalment diferent sobre els organismes vius i el medi ambient depenent del microambient (per exemple, el medi d’exposició) on es trobin. A més, les característiques primigènies del nanomaterial influeixen molt en la seva destinació biològica i ambiental. Des d’aquesta perspectiva, és fonamental comprendre les característiques de l’objecte final que toparà amb els organismes vius i analitzar les seves propietats, per tal de correlacionar les característiques prèvies i finals de NP amb els efectes potencials sobre els organismes vius.

En aquest context, aquesta tesi s’ha centrat en la transformació fisicoquímica dels NP model exposats a medis biològics i ambientals. Per a aquests estudis, es van triar NPs Au i Ag, ja que són models NP molt utilitzats i per les seves nombroses aplicacions. En primer lloc, l’estudi es va centrar en la influència de la composició de medis de cultiu cel·lular en el procés de formació de protein corona (PC), la composició final i l’estat d’agregació de NPs i els efectes consegüents sobre la captació de cèl·lules NP. També es va realitzar una caracterització fisicoquímica de la naturalesa de la bicapa CTAB - Au NP Au per estudiar l’impacte d’aquest recobriment de superfície NP àmpliament utilitzat en l’exposició de la partícula a fluids biològics, en la formació de la proteïna corona i en el disseny i interpretació de Proves de toxicitat NP. Finalment, es va explorar l’evolució del NP en aigua dolça natural mitjançant un estudi de la naturalesa d’interacció de les NP i de la matèria orgànica natural i de les característiques derivades del NP.

La creciente producción de nanopartículas (NP) conducirá inevitablemente a un aumento de la exposición humana y ambiental a estos materiales. En consecuencia, han surgido preocupaciones razonables con respecto a sus posibles riesgos de seguridad, dando lugar a la disciplina de nanotoxicología/nanoseguridad.

Debido a la alta reactividad, los NP expuestos a diferentes escenarios biológicos y ambientales tienden a alcanzar un estado termodinámico más estable a través de la agregación, la interacción con las moléculas presentes en el medio ambiente, la adsorción a la materia macro-orgánica, las transformaciones químicas y la disolución. Todas estas transformaciones pueden generar una nueva identidad de los nanoobjetos o producir nuevas entidades químicas, cambiando así su comportamiento y, en consecuencia, su riesgo asociado potencial. Por lo tanto, los mismos NP pueden tener un destino totalmente diferente y, en consecuencia, un impacto totalmente diferente en los organismos vivos y el medio ambiente dependiendo del microambiente (por ejemplo, el medio de exposición) en el que se encuentran. Además, las características prístinas del nanomaterial influyen mucho en su destino biológico y medioambiental. Desde esta perspectiva, resulta fundamental comprender las características del objeto final que encontrará organismos vivos y analizar sus propiedades, a fin de correlacionar las características de NP prístinas y finales con los posibles efectos sobre los organismos vivos.

En este contexto, el objetivo de esta tesis ha sido el estudio de la transformacion fisicoquímico de NP modelo expuestos a medios biológicos y ambientales. Para estos estudios, se eligieron NPs de Au y Ag, ya que son modelos de NP ampliamente utilizados y debido a sus numerosas aplicaciones. En primer lugar, el estudio se centró en la influencia de la composición de los medios de cultivo celular en el proceso de formación de protein corona, la composición final y el estado de agregación de NP y los efectos consiguientes en la absorción de células NP. También se realizó una caracterización fisicoquímica de la naturaleza de la bicapa CTAB - Au NP para estudiar el impacto de este recubrimiento de superficie NP ampliamente utilizado en la exposición de la partícula a los fluidos biológicos, en la formación de la corona de proteínas y en el diseño e interpretación de Pruebas de toxicidad NP. Finalmente, la evolución de NP en agua dulce natural se exploró mediante la realización de un estudio de la naturaleza de interacción de NP y materia orgánica natural y las características derivadas de NP.

The increasing production of engineered Nanoparticles (NPs) will inevitably lead to an increase of human and environmental exposition to these materials. Consequently reasonable concerns have arisen regarding their potential safety risks, giving rise to the nanotoxicology/nanosafety discipline. Because of the high reactivity, NPs exposed to different biological and environmental scenarios, tend to reach a more stable thermodynamic state via aggregation, interaction with the molecules present in the environment, adsorption to macro-organic matter, chemical transformations and dissolution. All these transformations can generate a new identity of the nano-objects or produce new chemical entities, thereby changing their behaviour and consequently their potential associated risk. Thus, the same NPs can have a totally different fate and consequently a totally different impact on living organisms and the environment depending on the microenvironment (e.g., the exposure medium) in which they are. Furthermore, the pristine features of nano-material highly influence their biological and environmental fate. From this perspective, it becomes fundamental to understand the characteristics of the final object that will encounter living organisms and analyze its properties, in order to correlate the pristine and final NP features with the potential effects on living organisms. In this context, the focus of this thesis has been on the physicochemical transformation of model NPs exposed to biological and environmental media. For these studies, Au and Ag NPs were chosen as they are widely used NP models and because of their numerous applications. Firstly, the study focused on the influence of the cell culture media composition on the protein corona (PC) formation process, final composition and NPs aggregation state and the consequent effects on NP cell uptake. A physicochemical characterization of the nature of the CTAB - Au NP bilayer was also carried out to study the impact of this widely used NP surface coating on the particle’s exposition to biological fluids, on the formation of the protein corona and on the design and interpretation of NP toxicity tests. Finally, the NP evolution in natural fresh water was explored by carrying out a study of the interaction nature of NPs and natural organic matter and the deriving NP features.