Badanie wpływu nanocząstek metali na aktywność membran biomimetycznych

Kierownik projektu: dr inż. Dorota Kondej

Streszczenie projektu:

Celem zadania było dostarczenie wiedzy w zakresie oddziaływania nanocząstek metali stosowanych w środowisku pracy na modelowe błony biologicznej.

Do badań wytypowano nanocząstki tlenków glinu, cynku i ceru, które są zaliczane do nanomateriałów o największym zastosowaniu w praktyce przemysłowej.

Badania identyfikacyjne obejmowały określenie morfologii cząstek poprzez analizę kształtu i wielkości cząstek z zastosowaniem elektronowej mikroskopii skaningowej (SEM), pomiar powierzchni właściwej z wykorzystaniem metody Brunauera, Emmetta i Tellera (BET) oraz  określenie rozkładu wymiarowego cząstek w dyspersji cieczowej z wykorzystaniem metody NTA.

W ramach realizacji zadania opracowano metodę i przeprowadzono ocenę wpływu nanocząstek na aktywność membran biomimetycznych na podstawie analizy wyników badania zmian aktywności powierzchniowej jedno- i wieloskładnikowej membrany biomimetycznej zachodzących w obecności cząstek wybranych tlenków metali. Membranę jednoskładnikową stanowiła monowarstwa lipidowa zbudowana z fosfatydylocholiny, która znajduje się np. w błonie erytrocytów oraz jest głównym składnikiem lipidowym surfaktantu płucnego tworzącego cienką błonę oddzielającą wdychane powietrze od nabłonka pęcherzyków płucnych. Wieloskładnikowa membrana biomimetyczna zawierała związki charakterystyczne dla endogennego surfaktantu płucnego, m.in.: fosfolipidy, triglicerydy, wolne kwasy tłuszczowe oraz białka SP-B i SP-C. Badania prowadzono z wykorzystaniem wagi Langmuira-Wilhelmy’ego i tensjometru igłowego. Analizie poddano:

-      przebiegi izoterm kompresji i krzywych ściśliwości monowarstwy lipidowej utworzonej na powierzchni czystej fazy ciekłej (bez dodatku badanych nanocząstek) oraz izoterm kompresji i krzywych ściśliwości monowarstwy lipidowej utworzonej na powierzchni zawiesin o różnych stężeniach nanocząstek

-      organizację cząsteczek w stanie gazowym (G), stanie cieczy rozprężonej (LE), stanie pośrednim (I) oraz stanie cieczy skondensowanej (LC) w odniesieniu do pola powierzchni przypadającego na jedną cząsteczkę DPPC podczas kompresji monowarstwy prowadzonej w różnych warunkach pomiarowych

-      zależność wskaźnika powierzchni MA od rodzaju i stężenia badanych nanocząstek

-      zmiany ciśnienia powierzchniowego wieloskładnikowej sferycznej membrany biomimetycznej odpowiadającej składem naturalnej błonie występującej w części pęcherzykowej układu oddechowego człowieka.

      Stwierdzono, że nanocząstki tlenków glinu, cynku i ceru powodują zmianę właściwości powierzchniowych monowarstwy lipidowej i wpływają na sposób organizacji cząsteczek na powierzchni międzyfazowej. Obecność badanych cząstek w fazie ciekłej powoduje przesunięcie izoterm kompresji w kierunku niższych wartości ciśnienia powierzchniowego i mniejszych wartości pola powierzchni przypadającego na jedną cząsteczkę DPPC oraz zmianę ściśliwości monowarstwy lipidowej. Intensywność tych zmian nasila się wraz ze wzrostem stężenia cząstek tlenku metalu w fazie ciekłej. Silniejszy efekt był obserwowany w badaniach z udziałem cząstek, które charakteryzują się większą powierzchnią właściwą.

      Na rysunku przedstawiono procentowe zmiany ciśnienia powierzchniowego wieloskładnikowej sferycznej membrany biomimetycznej po czasie 600 s wywołane obecnością cząstek badanych tlenków metali.

Zadanie  2.Z.07. Procentowe zmiany ciśnienia powierzchniowego wieloskładnikowej membrany biomimetycznej po czasie 600 s wywołane obecnością cząstek o stężeniu 1 mg/ml: tlenku glinu (A1, A2, A3), tlenku cynku (B1, B2, B3) i tlenku ceru (C1, C2, C3)

      Cząstki tlenków glinu, cynku i ceru powodują zmianę właściwości powierzchniowych wieloskładnikowej membrany biomimetycznej. Obecność badanych cząstek w fazie ciekłej powoduje wzrost wartości ciśnienia powierzchniowego na powierzchni międzyfazowej ciecz – powietrze. Intensywność tych zmian zależy od stężenia cząstek tlenku metalu w fazie ciekłej, wymiarów cząstek i rozwinięcia powierzchni właściwej.     

      Wnioski z badań przeprowadzonych z wykorzystaniem jedno- i wieloskładnikowej membrany biomimetycznej sugerują możliwość zaburzenia właściwości błon biologicznych w wyniku oddychania powietrzem zawierającym nanocząstki tlenków metali i mogą w wyniku tego niekorzystnie wpływać na funkcjonowanie organizmu pracownika.

      Na podstawie wyników badań przeprowadzonych w ramach realizacji zadania opracowano materiały informacyjne nt. wpływu nanocząstek metali na aktywność modelowych błon biologicznych oraz prospekt informacyjny o szkodliwości nanocząstek metali i profilaktyce zagrożeń związanych z ich stosowaniem, przeznaczone dla pracodawców i pracowników zatrudnionych w narażeniu na nanocząstki, dla osób odpowiedzialnych za bezpieczeństwo i higienę pracy w przedsiębiorstwach oraz dla laboratoriów wykonujących badania środowiska pracy. Projekty materiałów informacyjnych i prospektu poddano weryfikacji na seminarium, w którym wzięło udział 30 osób z 6 województw.

      W ramach realizacji zadania przygotowano 3 publikacje i 7 doniesień na seminaria oraz konferencje o zasięgu krajowym i międzynarodowym.

Jednostka: Pracownia Zagrożeń Chemicznych

Okres realizacji: 01.01.2014 – 31.12.2016