«Οικολογική & Περιβαλλοντική Μηχανική» Τοξικολογικές Επιπτώσεις Νανοσωματιδίων Χρυσού & Αργύρου: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΘΕΟΦΡΑΣΤΕΙΟ ΠΜΣ «Οικολογική & Περιβαλλοντική Μηχανική» Τοξικολογικές Επιπτώσεις Νανοσωματιδίων Χρυσού & Αργύρου: Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Μεταπτυχιακή Διπλωματική Διατριβή Επιβλέπων: Ph.D. Λέκτορας Τμ. Περιβάλλοντος, Πανεπ. Αιγαίου Καλαντζή Όλγα-Ιωάννα ΜΥΤΙΛΗΝΗ

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστίες αποδίδω στου καθηγητές μου Όλγα-Ιωάννα Καλαντζή και Γεώργιο Μπίσκο, για την βοήθεια τους στην επιλογή του θέματος αυτής της διπλωματικής διατριβής, την καθοδήγηση και τις συμβουλές τους. ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ 1. Καλαντζή Όλγα - Ιωάννα 2. Μπίσκος Γεώργιος 3. Στασινάκης Αθανάσιος 1

3 ABSTRACT In this study, a number of studies on the in vitro and in vivo toxicity of gold and silver nanoparticles were studied. Results of toxicological studies were collected and analyzed in order for the study to serve as a "guide" for the current investigation on the occurrence of nanoparticles in organisms and their toxicity effects. During analysis, we collected data on the effects of these two elements on a variety of cells lines, living organisms and plants. Silver nanoparticles showed toxic effects in the majority of investigations, independent of the nanoparticles size, but dependent on dose and exposure time. In most studies, silver nanoparticle toxicity caused by the release and contribution of silver ions (Ag+), along with the action of silver nanoparticles. Many studies indicated that toxicity was accompanied by high growth levels of reactive oxygen species (ROS), suggesting that ROS is the main mechanism of nanoparticle toxicity. In addition, we observed that surface modification, nanoparticle concentration, exposure time, type of organism and the physicochemical properties of nanoparticles may contribute, negative or positively to the behavior of nanoparticles. The importance of the issues addressed in this thesis should be taken into consideration, given the large use of gold and silver nanoparticles in consumer and other industrial products, prior to assessment of the possible risks that may be caused in the environment and living organisms, including humans. 2

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε αυτή τη διπλωματική διατριβή, ανασύρθηκαν και μελετήθηκαν έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί για την in vitro και in vivo τοξικότητα των νανοσωματιδίων χρυσού και αργύρου. Κατά την εκτέλεση της διατριβής συλλέχθηκαν, συγκεντρώθηκαν και παρατηρήθηκαν τα αποτελέσματα των προς μελέτη τοξικολογικών ερευνών, με τέτοιο τρόπο ώστε η ολοκλήρωση της συγγραφής, να χρησιμεύσει ως ένας "οδηγός", για τις τρέχουσες έρευνες και τη θεμελίωση και συντέλεση νέων μελλοντικών ερευνών. Κατά τις αναλύσεις, παρατηρήθηκαν οι επιδράσεις των δυο στοιχείων σε διάφορες κυτταρικές γραμμές, σε ζωντανούς οργανισμούς και σε φυτικούς οργανισμούς. Από τα αποτελέσματα, παρατηρήθηκε η σχετική βιοσυμβατότητα των νανοσωματιδίων χρυσού, καθώς στις περισσότερες έρευνες δεν παρουσιάστηκε καμία τοξικότητα. Μεγάλη τοξικότητα, παρατηρήθηκε μόνο κατά τα μεγέθη 1 έως 2 nm, υποδεικνύοντας την εξαρτώμενη από το μέγεθος, τοξικότητα τους. Αντιθέτως, τα νανοσωματίδια αργύρου, παρουσίασαν στο μεγαλύτερο μέρος των ερευνών τοξικές επιδράσεις, ανεξάρτητα από το μέγεθος των νανοσωματιδίων, αλλά εξαρτώμενες από τη δόση και τον χρόνο έκθεσης. Αιτία της τοξικότητας στις περισσότερες περιπτώσεις, αποδείχτηκε η απελευθέρωση και συμβολή των ιόντων αργύρου (Ag+), παράλληλα με την δράση των νανοσωματιδίων αργύρου. Στο μεγαλύτερο μέρος όλων των ερευνών, η τοξικότητα συνοδεύτηκε από την υψηλή αύξηση των επιπέδων αντιδραστικών ειδών οξυγόνου (ROS), υποδεικνύοντας ότι τα ROS είναι ο κύριος μηχανισμός τοξικότητας των νανοσωματιδίων. Στη συμπεριφορά των νανοσωματιδίων επίσης, παρατηρήθηκε ότι συμβάλει είτε αρνητικά, είτε θετικά, η επιφανειακή τροποποίηση των νανοσωματιδίων, η συγκέντρωση, ο χρόνος έκθεσης, το είδος του οργανισμού που χρησιμοποιείται, καθώς και οι φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Η σοβαρότητα του προβλήματος που αναλύεται σε αυτή τη διατριβή, δεν πρέπει να αμφισβητηθεί, δεδομένου της μεγάλης χρήσης των νανοσωματιδίων χρυσού και αργύρου, σε καταναλωτικά και άλλα βιομηχανικά προϊόντα, πριν αξιολογηθούν πλήρως οι πιθανοί κίνδυνοι που δύναται να προκαλέσουν στο ευρύτερο περιβάλλον και τους οργανισμούς, ως εκ τούτου και στους ανθρώπους. 3

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ 6 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Νανοεπιστήμες Νανοτεχνολογία Τοξικολογία και Νανοτοξικολογία Στόχος της εργασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Γενικά 2.2 Μεταλλικά Νανοσωματίδια 2.3 Εφαρμογές Νανοσωματιδίων Νανοϊατρική Νανοηλεκτρονική - Οπτοηλεκτρονική Κατάλυση 2.4 Σύνθεση Νανοσωματιδίων Σύγκριση υγρής και αέριας σύνθεσης 2.5 Ιδιότητες Νανοσωματιδίων 2.6 Χαρακτηρισμός Νανοσωματιδίων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΚΘΕΣΗ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΣΕ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Γενικά Ανθρώπινη έκθεση σε νανοϋλικά Τα νανοϋλικά στο οικοσύστημα 3.2 Μηχανισμοί Τοξικότητας Νανοσωματιδίων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΊΔΙΑ ΧΡΥΣΟΥ (AuNPs) Γενικά 4.2 Εφαρμογές των Νανοσωματιδίων Χρυσού Εφαρμογές των νανοσωματιδίων χρυσού στη βιοϊατρική 4.3 Ιδιότητες AuNPs 4.4 Η Τροποποίηση της Επιφάνειας των AuNPs 4.5 Η Τοξικότητα των AuNPs Μελέτες τοξικότητας σε κυτταρικές γραμμές (in vitro) Μελέτες τοξικότητας σε θηλαστικά (in vivo) Μελέτες τοξικότητας σε φυτικούς οργανισμούς (in vivo) Η βιοσυσσώρευση των AuNPs Η συσσωμάτωση των AuNPs

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΊΔΙΑ ΑΡΓΥΡΟΥ (AgNPs) Γενικά 5.2 Εφαρμογές των Νανοσωματιδίων Αργύρου 5.3 Η Τοξικότητα των AgNPs Μελέτες τοξικότητας σε κυτταρικές γραμμές (in vitro) Μελέτες τοξικότητας σε θηλαστικά (in vivo) Μελέτες τοξικότητας σε φυτικούς οργανισμούς (in vivo) Η βιοσυσσώρευση των AgNPs ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Γενικά Συμπεράσματα Η τοξικότητα των AuNPs Η τοξικότητα των AgNPs 6.2 Μελλοντική Έρευνα και Προτάσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 62 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 68 5

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική διατριβή, εκπονήθηκε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών "Θεοφράστειο Π.Μ.Σ.: Οικολογική και Περιβαλλοντική Μηχανική", το ακαδημαϊκό έτος Σκοπός της, ήταν η πραγματοποίηση της βιβλιογραφικής ανασκόπησης, in vitro και in vivo τοξικολογικών ερευνών, που αφορούσαν τις επιδράσεις των νανοσωματιδίων χρυσού και αργύρου, σε ποικίλους οργανισμούς. Το πρώτο κεφάλαιο της διατριβής αυτής, περιλαμβάνει την εισαγωγή στο κείμενο και αναφέρεται στην εξέλιξη της επιστήμης από τα αρχαία χρόνια μέχρι σήμερα, δίνοντας μεγάλη έμφαση στις νανοεπιστήμες και την νανοτεχνολογία. Επίσης, περιγράφεται για τη καλύτερη κατανόησή της, η κλίμακα μεγέθους των νανοσωματιδίων, στην οποία εστιάζουν οι μελέτες των νανοεπιστημών, οι τομείς όπου τα προϊόντα της βρίσκουν εφαρμογή και ο στόχος της παρούσας διπλωματικής διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο, περιλαμβάνει την περιγραφή των νανοσωματιδίων, παρουσιάζονται οι εφαρμογές αυτών στην βιομηχανία και την ιατρική, γίνεται αναφορά στον τρόπο παρασκευής τους και περιγράφονται οι ιδιότητες, οι επιδράσεις και οι μηχανισμοί με τους οποίους αυτά τα νανοσωματίδια μπορούν να επηρεάσουν το περιβάλλον και τους οργανισμούς, ως εκ τούτου και τους ανθρώπους. Το τρίτο κεφάλαιο, αναφέρεται στις επιπτώσεις και τους μηχανισμούς τοξικότητας των νανοϋλικών σε διάφορους οργανισμούς καθώς και στους ανθρώπους. Το τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται στα νανοσωματίδια χρυσού και αργύρου αντίστοιχα. Σε αυτά περιλαμβάνονται, οι βασικές ιδιότητες των στοιχείων αυτών, οι τομείς εφαρμογής τους, παρουσιάζονται οι τοξικολογικές μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί για κάθε ένα από τα στοιχεία και τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από αυτά. Το έκτο κεφάλαιο, περιλαμβάνει τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την έρευνα αυτή, γίνεται η κριτική πάνω στο θέμα των νανοσωματιδίων και θέτονται κάποια ερωτήματα και προτάσεις, που σκοπό έχουν να προβληματίσουν, να θέσουν τα θεμέλια και να συντελέσουν σε μελλοντικές έρευνες. Τέλος ακολουθούν το εδάφιο της βιβλιογραφίας και το παράρτημα το οποίο περιλαμβάνει τέσσερις πίνακες με τα δεδομένα και αποτελέσματα που συλλέχθηκαν από τις έρευνες που αναλύθηκαν. Οι Πίνακες 1 και 2, αντιστοιχούν στις in vitro και in vivo έρευνες με θέμα τα νανοσωματίδια χρυσού και οι Πίνακες 3 και 4 τις in vitro και in vivo έρευνες με θέμα τα νανοσωματίδια αργύρου. 6

8 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ Διάφορες Συντομογραφίες 5-FU AgAc AgNPs AuNPs CNTs CYP DNA DOC E. Coli EC50 EGFP HIV in vitro in vivo KO,mOgg1-/LATEX LDH Melia NAC nm NPs NR ppb ppm RES RNA RNS ROS SOD SRHA TBARS UV ΚΝΣ μm μm 5-φθοριοουρακίλη Οξικός άργυρος Νανοσωματίδια αργύρου Νανοσωματίδια χρυσού Νανοσωλήνες άνθρακα Κυτόχρωμα Δε(σ)οξυριβο(ζο)νουκλεϊ(νι)κό οξύ Διαλυμένος οργανικός άνθρακας Βακτήρια Escherichia Coli Μέση αποτελεσματική συγκέντρωση Ενισχυμένη πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη Ιός ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας (AIDS) Πειράματα σε μέρη οργανισμών σε δοκιμαστικό σωλήνα Πειράματα σε ζωντανούς οργανισμούς Γονότυπος 8-οξογουανίνη DNA γλυκοζυλάση Φυτό Latex Euphorbia nivulia Γαλακτική αφυδρογονάση Φυτό Melia azadarach Linn N-ακετυλο-κυστεΐνη νανόμετρα Νανοσωματίδια Πρόσληψη χρωστικής ουδέτερου ερυθρού Μέρη στο δισεκατομμύριο Μέρη στο εκατομμύριο Δικτυοενδοθηλιακό σύστημα Ριβονουκλεϊκό οξύ (Ribonucieic acid) Αντιδραστικά είδη νιτρωδών Αντιδραστικά είδη οξυγόνου Υπεροξείδιο της δισμουτάσης Σύνολο παραποτάμιων χουμικών ενώσεων και άλλων φυσικών μακρομορίων (Suwannee River Humic Acud Standard) Θειοβαρβιτουρικό οξύ Υπεριώδης ακτινοβολία UltraViolet Κεντρικό νευρικό σύστημα μικρο Molarity μικρόμετρα Επιφανειακοί Τροποποιητές CTAB CY FICT GSH PANAM PEG Κετυλοαιθυλεμμώνιο Κυσταμεΐνη Ισοθειοκυανική Φλουρορεσκεΐνη Γλουταθειόνη Δενδριμερή πολυαμιδοαμίνης Πολυαιθυλενογλυκόλη 7

9 MPA-PEG PLL PVP TGA TP TPPMS 3-μερκαπτοπροπιονικό οξύ-αιθυλενογλυκόλη Πολύ-L-λυσίνη Πολυμερές Θειογλυκολικό οξύ Τιοπρονίνη 3-σουλφονωμένη τριφαινυλοφωσφίνη Τύποι Κυττάρων σε Πειράματα A498 A549 C57BL6 DAL H520 HeLa HepG2 J774.1 Kapffer L929 MC3TE-E1 MCF-7 NT2 PBMC PC12 RAW264.7 RBE4 Κ562 Καρκινικά ηπατικά κύτταρα Αδενοκαρκινικά πνευμονικά κύτταρα Πρωτογενή ορχικά κύτταρα άγριου τύπου ποντικών Κύτταρα ασκίτη λεμφώματος Dalton Καρκινικά πνευμονικά κύτταρα Καρκινικά κύτταρα του τραχύλου της μήτρας (του πρώτου ασθενή Henrieta Laks) Καρκινικά ηπατικά κύτταρα Τύπος μακροφάγων κυττάρων Ηπατικά μακροφάγα κύτταρα Κύτταρα ινωδοβλάστων συνδετικών ιστών Κύτταρα προοστεοβλάστη ποντικιών Καρκινικά κύτταρα του μαστού Καρκινικά εμβρυϊκά ορχικά κύτταρα (Ntera2) Κύτταρα περιφερικού αίματος Κύτταρα επινεφριδίων του μυελού ποντικιών Τύπος μακροφάγων κυττάρων Εγκεφαλικά ενδοθηλιακά κύτταρα αρουραίων Τύπος λευχαιμικών κυττάρων 8

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Γενικά Από τα βάθη των αιώνων ο άνθρωπος, καθώς εντυπωσιάζεται από την δυνατότητα του φυσικού κόσμου να μεταβάλλεται, καταβάλει μεγάλη προσπάθεια να κατανοήσει τους φυσικούς μηχανισμούς που διέπουν αυτές τις μεταβολές. Έτσι από τα αρχαία χρόνια, διάφοροι πολιτισμοί, μεταξύ αυτών και της Αρχαίας Ελλάδας, αρχίζουν να παρατηρούν και να συγκεντρώνουν διάφορες πληροφορίες Εικόνα 1.1 Ο μηχανισμός των Αντικυθήρων, για τα φυσικά φαινόμενα που συμβαίνουν, Αρχαίο επιστημονικό επίτευγμα αναπτύσσοντας με τον τρόπο αυτό διάφορες [GreekSurnames, 2010] επιστήμες, όπως την Ιατρική, την Αστρονομία, τη Βιολογία, τα Μαθηματικά, τη Μηχανική κ.ά.. Καθώς λοιπόν οι αιώνες περνούν και η γνώση που αποκτάται καταγράφεται και συσσωρεύεται, νέα ερωτηματικά δημιουργούνται, οι επιστήμες διαχωρίζονται σε διάφορους κλάδους και οι ερευνητές μελετώντας την δομή της ύλης εστιάζουν σε ολοένα και μικρότερα πεδία. Έτσι, φτάνουμε στα τέλη του 20ου αιώνα, όπου έχουν αναπτυχθεί σημαντικά επιστήμες όπως η Βιολογία και η Βιοτεχνολογία, που μελετούν σε βάθος τα μόρια, τα άτομα, τους πυρήνες των ατόμων και τα στοιχειώδη σωματίδια, φτάνοντας επίσης σε σημεία που δύσκολα αντιλαμβάνεται ο ανθρώπινος νους. Ως φυσικό επακόλουθο των παραπάνω γεγονότων, στις αρχές του 21ου αιώνα, διάφορες νέες επιστήμες αρχίζουν να αναδύονται με ένα μεγάλο μέρος αυτών να καταλαμβάνεται από τις Νανοεπιστήμες. 1.2 Νανοεπιστήμες Με τον όρο Νανοεπιστήμες, εννοούμε την παρατήρηση, τη μελέτη και την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων της ύλης, όταν τα μεγέθη κατά τα οποία μελετάται, βρίσκονται στην κλίμακα μερικών νάνο-μέτρων (nanometer - nm). Πιο συγκεκριμένα, είναι η επιστήμη που μελετά τα φαινόμενα που παρουσιάζουν τα υλικά κατά την αλληλεπίδρασή τους, σε μεγέθη μεταξύ 1 nm έως 100 nm, όπου όπως έχει παρατηρηθεί, παρουσιάζουν πολύ διαφορετικές ιδιότητες από τα μεγαλύτερα σε μέγεθος κομμάτια της ύλης [Ζώη, 2007; The Royal Society, 2004]. Οι διαφορές που έχουν παρατηρηθεί στις ιδιότητες των υλικών, μεταξύ αυτών που βρίσκονται στην κλίμακα των νανόμετρων και των μεγαλύτερων νανοϋλικών, οφείλεται κυρίως στους εξής δύο λόγους: 9

11 1. Στην αύξηση του λόγου της σχετικής επιφάνειας του υλικού ως προς τον όγκο του, η οποία καθιστά ισχυρότερη την χημική αντιδραστικότητα των νανοϋλικών και επηρεάζει τις δυναμικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες, αυξάνοντας την απόδοση των υλικών σε διάφορες διεργασίες. Επίσης έχει παρατηρηθεί πως χημικά αδρανή υλικά, όταν παρασκευαστούν στη κλίμακα των νανόμετρων, παρουσιάζουν αντιδραστικότητα [Χαλκίδου, 2009; The Royal Society, 2004]. 2. Στην επικράτηση κβαντικών φαινομένων που μεταβάλουν σημαντικά τις οπτικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες των υλικών [Χαλκίδου, 2009; The Royal Society, 2004]. Η διαφορά των ιδιοτήτων των νανοϋλικών σε σχέση με τα μεγαλύτερα υλικά δεν αποτελεί νέα ανακάλυψη, αλλά έχει τις ρίζες της στις παρατηρήσεις των ανθρώπων από τον 10ο αιώνα π.χ., όπου διάφορα υλικά όπως ο χρυσός και ο άργυρος φαίνονταν με διαφορετικό χρωματισμό, ανάλογα με το μέγεθος που παρασκευάζονταν. Έτσι χρησιμοποιούνταν ως χρωστικές επικαλύψεις σε κεραμικά και γυάλινα σκεύη κάνοντάς τα να φαίνονται κόκκινα, μπλε, χρυσά κ.ά.. Από εκείνη την εποχή λοιπόν, η επιστήμη και οι χημικοί κατέβαλαν μεγάλη προσπάθεια για να δημιουργούν νανοϋλικά συγκεκριμένου μεγέθους [Χαλκίδου, 2009]. Το πρόθεμα νάνο- (nano-) είναι ελληνικής προέλευσης και προέρχεται από την λέξη «νάνος», προσδιορίζοντας με τον τρόπο αυτό το αρκετά μικρό μέγεθος που αποτελούν τα υπό μελέτη υλικά. Το νανόμετρο γενικά ορίζεται ως το ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου, δηλαδή 10-9 μέτρα (m). Για να κατανοήσουμε καλύτερα το πεδίο των μεγεθών, κατά το οποίο γίνονται οι παρατηρήσεις και οι μελέτες στις νανοεπιστήμες, στον Πίνακα 1.1 γίνεται μια σύγκριση του μεγέθους διαφόρων αντικειμένων. Πίνακας 1.1 Σύγκριση μεγεθών διαφόρων αντικειμένων [Νόχος, 2008] Αντικείμενο Άτομο άνθρακα Διάμετρος διπλού έλικα του DNA Ριβόσωμα Ιός Βακτήριο Ερυθρό αιμοσφαίριο Ανθρώπινη τρίχα Διακριτική ικανότητα του ανθρώπινου οφθαλμού Μέγεθος (nm) Επίσης, για τον ίδιο σκοπό στην Εικόνα 1.2 παρουσιάζεται το μήκος της κλίμακα διαφόρων δομών και οργανισμών που εκτείνεται από τα m έως το 1 m καθώς και από 1 nm έως 10 nm, αντίστοιχα. 10

12 Εικόνα 1.2 Μήκος κλίμακας για την κατανόηση του μεγέθους των νανόμετρων [The Royal Society, 2004] Στην κλίμακα μεταξύ 1 m και m (πράσινη γραμμή) της εικόνας αυτής, παρατηρούμε μια μπάλα ποδοσφαίρου σε σύγκριση με ένα μόριο άνθρακα -60 (C60), το οποίο είναι γνωστό και ως Buckyball και αποτελεί το ένα δισεκατομμυριοστό της μπάλας. Ενδιάμεσα επίσης, παρουσιάζονται τα μεγέθη διάφορων μικροοργανισμών, καθώς και μιας ανθρώπινης τρίχας για την καλύτερη εκτίμηση των μεγεθών. Κάτω από τα m, στην κλίμακα μεταξύ 1 nm και 100 nm (μπλε γραμμή), βρίσκεται το φάσμα των μεγεθών που αποτελεί το πεδίο έρευνας των νανοεπιστημών και εκτείνεται έως και τα 0.2 nm [The Royal Society, 2004]. Η ιδέα των νανοεπιστημών, θεωρείται ότι πρωτοεμφανίστηκε για πρώτη φορά στην ομιλία του Καθηγητή Φυσικής Επιστήμης Richard Feynman, «There s plenty of room at the bottom», την 29η Δεκέμβρη 1959, στο Ινστιτούτο Τεχνολογιών της Καλιφόρνια (CALTECH), όταν κατά την ομιλία του έκανε την εξής τολμηρή δήλωση «Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Britannica on the head of a pin? - Γιατί να μην μπορούμε να γράψουμε και τους 24 τόμους της Εγκυκλοπαίδειας Britannica στο κεφάλι μιας καρφίτσας; [Feynman, 1960]», επιδεικνύοντας για πρώτη φορά με τον λόγο αυτό, την πιθανότητα χειρισμού των υλικών σε επίπεδο ατόμων και μορίων [Καβαρνού, 2011; Χαλκίδου, 2009]. Για την μελέτη των νανοεπιστημών, απαραίτητο είναι ο ερευνητής να διαθέτει γνώσεις φυσικής, χημείας, βιολογίας και πληροφορικής, καθώς οι νανοεπιστήμες είναι αναμφισβήτητα συνεργασία όλων των παραπάνω επιστημών. Τα ευρήματα νανοτεχνολογία. των νανοεπιστημών στην πράξη, συναντώνται στην 11

13 1.3 Νανοτεχνολογία Με τον όρο νανοτεχνολογία, εννοούμε το σύνολο των μεθόδων χειρισμού, ελέγχου και βέλτιστης εφαρμογής των ευρημάτων των νανοεπιστημών, στη σύγχρονη ζωή [Schrand et al., 2012; Καβαρνού, 2011]. Συγκεκριμένα, στις μεθόδους αυτές περιλαμβάνονται διάφορες τεχνικές για τον σχεδιασμό, τον χαρακτηρισμό, την βιομηχανική παραγωγή και εφαρμογή υλικών, το μέγεθος των οποίων βρίσκεται στη κλίμακα των νανόμετρων [The Royal Society, Εικόνα 1.3 Εφαρμογές της Νανοτεχνολογίας [Τράντα, 2012] 2004]. Είναι το μέσο που μας βοηθά να εκμεταλλευτούμε τις ιδιαίτερες δυνατότητες που έχουν οι αλληλεπιδράσεις των υλικών στην κλίμακα των νανόμετρων, με σκοπό την ανάπτυξη εφευρέσεων με προηγμένες λειτουργίες και επιδόσεις [Schrand, 2012; Καραμερτζάνη, 2011]. Η νανοτεχνολογία σήμερα, έχει βρει εφαρμογή σε διάφορους τομείς της επιστήμης, όπως της ιατρικής, των τροφίμων, της παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας, της χημικής βιομηχανίας, της τεχνολογίας, της ασφάλειας κ.ά. [Καραμερτζάνη, 2011]. Μερικά παραδείγματα των εφαρμογών αυτών, είναι η προσθήκη νανοϋλικών στα τρόφιμα ως χρωστικές ουσίες, η προσθήκη σε νέες ηλεκτρονικές συσκευές (μικροτσίπ), η εφαρμογή σε αποθηκευτικά μέσα ενέργειας, σε ιατρικές διαγνωστικές συσκευές, σε φάρμακα, σε τεχνητά εμφυτεύματα, σε καλλυντικά, σε επιφάνειες για αυτοκαθαρισμό και προστασία από χαρακιές, σε διάφορα υλικά για την αύξηση της αντοχής και της αποτελεσματικότητάς τους κ.ά.. Όλα τα παραπάνω βέβαια, είναι δυνατά, χάρη στην εξέλιξη και πρόοδο συσκευών και εργαλείων που επιτρέπουν τη σύνθεση, τον χειρισμό και την κατασκευή δομών σε επίπεδο ατόμων, μορίων και γενικά σε υποδιαιρέσεις νάνο-κλίμακας [Elsaesser et al., 2012; The Royal Society, 2004]. 1.4 Τοξικολογία και Νανοτοξικολογία Η τοξικολογία όπως είναι γνωστό, μελετά τις επιδράσεις διάφορων τοξικών χημικών ουσιών στους ανθρώπους, τα ζώα, τα φυτά και τους μικροοργανισμούς. Λόγω της μεγάλης κλίμακας εφαρμογών που καλύπτει η επιστήμη της τοξικολογίας, η απαίτηση διαχωρισμού της σε μικρότερους και εξειδικευμένους κλάδους είναι ζωτικής σημασίας. Έτσι το τομέα των νανοϋλικών, έρχεται να καλύψει ένας κλάδος της τοξικολογίας, γνωστός ως νανοτοξικολογία. Ο σκοπός της νανοτοξικολογίας, είναι να χαρακτηριστούν και να περιγραφούν μέσα από συνεχή εξέταση και παρατήρηση, τα νανοϋλικά που δύναται να παραχθούν και να βρεθούν στο περιβάλλον, επηρεάζοντας το. Ο λόγος της απαίτησης του κλάδου της νανοτοξικολογίας, είναι η πληθώρα μεταβλητών και χαρακτηριστικών που πρέπει να μελετηθούν και να περιγραφούν κατά την εφαρμογή αυτή, κάτι που καθιστά 12

14 εξαιρετικά δύσκολη τη διαδικασία αυτή για την επιστήμη της κλασσικής τοξικολογίας [Elsaesser et al., 2012]. 1.5 Στόχος της εργασίας Ως στόχο αυτής της Μεταπτυχιακής Διπλωματικής Διατριβής, αποτέλεσε η βιβλιογραφική ανασκόπηση των in vitro και in vivo ερευνών, όσον αφορά την τοξικότητα των στοιχείων Χρυσός και Άργυρος, σε διάφορους οργανισμούς, όταν οι διαστάσεις στις οποίες εφαρμόζονται, βρίσκονται στη κλίμακα των νανόμετρων. Αιτία για την ιδέα, που οδήγησε στο σχεδιασμό αυτής της διατριβής, αποτέλεσε η σημαντική και επείγουσα ανάγκη, για την συλλογή και συγκέντρωση πληροφοριών, σχετικά με τις τοξικές επιδράσεις, που δύναται να προκαλέσουν τα εξεταζόμενα στοιχεία, στους ζωντανούς οργανισμούς, ως εκ τούτου και στους ανθρώπους. Στην διατριβή αυτή, στοχεύσαμε στη συγκέντρωση και επεξεργασία πληροφοριών, σχετικά με τη σύνθεση, τις ιδιότητες και τις τοξικές επιδράσεις σε οργανισμούς, των νανοσωματιδίων χρυσού και αργύρου. Απώτερος σκοπός της δραστηριότητας αυτής, αποτέλεσε η δημιουργία ενός συγγράμματος "οδηγού", όπου θα δύναται χρησιμοποιηθεί στις τρέχουσες έρευνες, να θέσει τα θεμέλια και να συντελέσει σε νέες μελλοντικές έρευνες, για τις θετικές ή αρνητικές επιδράσεις της σύνθεσης και εφαρμογής νανοσωματιδίων στη σύγχρονη βιομηχανία. Η σοβαρότητα του προβλήματος που αναλύεται σε αυτό το σύγγραμμα, δεν θα πρέπει να αμφισβητηθεί, δεδομένου της ευρείας χρήσης των νανοσωματιδίων σε καταναλωτικά προϊόντα και άλλες εφαρμογές, προτού ακόμη καταγραφεί η συμπεριφορά τους στο ευρύτερο περιβάλλον και η αλληλεπίδρασή τους με τους οργανισμούς. Η μελέτη των νανοσωματιδίων είναι σημαντική, διότι αποτελεί την βάση της νανοτεχνολογίας, μια επιστήμης που στις μέρες μας, έχει σημαντικότατες επιπτώσεις στην παγκόσμια αγορά και οικονομία, η οποία βασίζεται σχεδόν ολοκληρωτικά στη γνώση. 13

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ 2.1 Γενικά Τα δομικά στοιχεία της νανοτεχνολογίας και γενικά τα προς μελέτη σωμάτια των νανοεπιστημών, είναι τα νανοσωματίδια. Με τον όρο νανοσωματίδια (nanoparticles - NPs), εννοούμε όλα τα στερεά κολλοειδή σωματίδια, των οποίων μια τουλάχιστον από τις διαστάσεις τους, βρίσκεται στην κλίμακα των νανόμετρων, η οποία κυμαίνεται από περίπου 0, m έως m (0,2-100 nm). Τα νανοσωματίδια στην βιβλιογραφία, συναντώνται επίσης και ως ισοαξονικά ή ισομεγέθη νανοσωματίδια, ως νανοκοκκία ή ως νανοκρύσταλλοι. Τα νανοσωματίδια, λόγω των διαφορετικών ή πρωτότυπων ιδιοτήτων (μαγνητικών, οπτικών, ηλεκτρικών, χημικών και μηχανικών) που παρουσιάζουν, σε σχέση πάντα με ίδια σωματίδια μεγαλύτερου μεγέθους, έλκουν σημαντικά το ενδιαφέρον της επιστήμης. Εκτός από τα νανοσωματίδια, στα νανοϋλικά, περιλαμβάνονται και άλλες νανοδομές των οποίων περισσότερες από μία διαστάσεις τους, βρίσκονται στην νανοκλίμακα. Οι νανοδομές αυτές, χωρίζονται σε νανοσωλήνες και νανομεμβράνες. Συνοψίζοντας, τα χαρακτηριστικά των νανοϋλικών, διαχωρίζονται ως εξής: Εικόνα 2.1 Νανοσωματίδια α) 20 nm, b) 45 nm γ) 80 nm, με την τεχνική απεικόνισης SEM Νανοσωματίδια: Όταν και οι τρεις διαστάσεις τους, βρίσκονται σε μεγέθη νανοκλίμακας. Ωστόσο, με το ίδιο όρο όπως αναφέρθηκε και παραπάνω αναφέρονται όλες ο νανοδομές, ανεξαρτήτως του αριθμό διαστάσεων που είναι στη νανοκλίμακα. Νανοσωλήνες νανοΐνες νανοράβδοι - νανοσύρματα: Όταν δυο από τις διαστάσεις του σωματιδίου βρίσκονται στην νανοκλίμακα. Η Τρίτη διάσταση είναι μεγαλύτερη και έτσι το σχήμα των σωματιδίων αυτών μοιάζει με μια επιμήκη δομή. Παράδειγμα νανοσωλήνα, αποτελούν οι νανοσωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes CNTs) [Καβαρνού, 2011]. Νανομεμβράνες: Όταν μία μόνο διάσταση βρίσκεται στην νανοκλίμακα με αποτέλεσμα το σχήμα του σωματιδίου να μοιάζει με μεμβράνη. Παράδειγμα νανομεμβράνων, είναι ο άργιλος, το γραφένιο και διάφορα πυριτικά ορυκτά [Καβαρνού, 2011]. 14

16 Ωστόσο, όπως και με όλες τις μορφές των νανοσωματιδίων, έτσι δύναται να συντεθούν νανομεμβράνες και άλλων υλικών. 2.2 Μεταλλικά Νανοσωματίδια Μεταλλικά νανοσωματίδια είναι εκείνες οι νανοδομές, όπου στην σύνθεσή τους περιέχουν μεταλλικά στοιχεία, όπως ο χρυσός (Au), ο άργυρος ή ασήμι (Ag), ο χαλκός (Cu), καθώς και οξείδια μεταλλικών στοιχείων, όπως ZnO, MgO, TiO2 κ.ά.. Τα μεταλλικά νανοσωματίδια, χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλούς τομείς της τεχνολογίας, ως κύρια συστατικά. Για την παρατήρηση της συμπεριφοράς τους και την αξιολόγηση πιθανών επιδράσεων, χρησιμοποιούνται σε πειράματα νανοτοξικότητας διαφόρων μικροοργανισμών όπως μύκητες, βακτήρια, ιοί, καθώς και άλλων οργανισμών, όπως θηλαστικά (ποντίκια, αρουραίους), οστρακοειδή και φυτά. 2.3 Εφαρμογές Νανοσωματιδίων Τα νανοσωματίδια βρίσκουν πολλές εφαρμογές σήμερα, σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας, λόγω των βελτιωμένων ή νέων ιδιοτήτων που παρουσιάζουν. Πολλά καταναλωτικά προϊόντα περιέχουν μεγάλη ποικιλία ειδών νανοσωματιδίων και έχουν διοχετευτεί τα τελευταία χρόνια στην αγορά. Ενδεικτικά, ο αριθμός των καταναλωτικών προϊόντων που χρησιμοποιούν νανοϋλικά, έχει αυξηθεί από 54 είδη το 2005 σε 1317 είδη, μέχρι το 2010 (η καταγραφή πραγματοποιήθηκε από τον Μάρτιο του 2006 έως τον Μάρτιο του 2011). Η αύξηση αυτή είναι της τάξης των 2338 %. Αξίζει να αναφερθεί πως ο αριθμός αυτός αυξάνεται με τους ίδιους ρυθμούς, ακόμη και σήμερα. Στο Σχήμα 2.1 παρουσιάζεται γραφικά η αύξηση των καταναλωτικών προϊόντων, που χρησιμοποιούν νανοϋλικά, από το 2005 μέχρι το 2010 [Glauciene et al., 2012; PEN, 2011]. Σχήμα 2.1 Καταγραφή αριθμού προϊόντων που περιέχουν νανοϋλικά μεταξύ 2005 και 2010 [PEN, 2011] 15

17 Στο Σχήμα 2.2, παρουσιάζονται οι τομείς της τεχνολογίας και ο αριθμός των προϊόντων που χρησιμοποιούν νανοσωματίδια, σε κάθε τομέα. Σχήμα 2.2 Αριθμός προϊόντων ανά κατηγορία στον τομέα της υγείας και ομορφιάς [PEN, 2011] Από το σχήμα παρατηρούμε πως το μεγαλύτερο μέρος των προϊόντων αυτών, απαντώνται στον τομέα της υγείας και ομορφιάς, φτάνοντας τα 738 προϊόντα μέχρι τον Μάρτιο του Στον Πίνακα 2.1 παρουσιάζονται οι κατηγορίες και ο αριθμός των προϊόντων που ανήκουν στον τομέα της υγείας και ομορφιάς. Πίνακας 2.1 Αριθμός προϊόντων ανά κατηγορία στον τομέα της υγείας και ομορφιάς [PEN, 2011] Κατηγορία - Είδος Προσωπικής φροντίδας Καλλυντικά Ρουχισμός Κοσμήματα Αθλητικά είδη Προστασία Αντηλιακά Αριθμός προϊόντων Τα παραπάνω στοιχεία περιλαμβάνουν προϊόντα 30 χωρών, κυρίως των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής, της Ευρώπης και της Ανατολικής Ασίας. Ο αριθμός των προϊόντων για κάθε χώρα φτάνει τα 587 στις Ηνωμένες Πολιτείες, τα 367 στην Ευρώπη (Αγγλία, Γαλλία, Γερμανία, Φιλανδία, Ελβετία, Ιταλία, Σουηδία, Δανία και νότιες χώρες), τα 261 στην Ανατολική Ασία (Κίνα, Ιαπωνία, Κορέα και Ταϊβάν), καθώς και τα 73 σε διάφορες άλλες χώρες (Καναδάς, Μεξικό, Ισραήλ, Νέα Ζηλανδία, Μαλαισία, Ταϊλάνδη, Σιγκαπούρη, Φιλιππίνες) [PEN, 2011]. Το είδος των νανοϋλικών που κυριαρχεί σε αυτά τα προϊόντα, είναι τα νανοϋλικά των μεταλλικών οξειδίων, τα οποία εφαρμόζονται όλο και περισσότερο σε καταναλωτικά προϊόντα. 16

18 Στον Σχήμα 2.3 παρουσιάζονται ο αριθμός και τα είδη των νανοϋλικών που έχουν βρει εφαρμογή στα προϊόντα που αναφέρθηκαν παραπάνω. Σχήμα 2.3 Είδος νανοσωματιδίων στα προϊόντα κατά την απογραφή του Μαρτίου [PEN, 2011] Παρατηρούμε λοιπόν πως την κυρίαρχη θέση στην εφαρμογή νανοϋλικών στα προϊόντα αυτά, καταλαμβάνουν τα νανοϋλικά Αργύρου (Silver Ag), όπου απαντώνται στα 313 από προϊόντα που κατεγράφησαν, στην δεύτερη και Τρίτη θέση, ακολουθούν τα νανοϋλικά άνθρακα (Carbon C) όπου κύρια μορφή είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) και απαντώνται σε 91 προϊόντα και τα νανοϋλικά τιτανίου (Titanium Ti) σε 59 προϊόντα. Κάποια από τα νανοσωματίδια μεταλλικών οξειδίων που χρησιμοποιούνται σε προϊόντα και οι εφαρμογές τους, είναι: τα νανοσωματίδια ZnO και TiO2, σε αντηλιακά ως προστασία από τη UV ακτινοβολία, σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, σε αυτοκαθαριζόμενες επικαλύψεις και σε εφαρμογές απορρύπανσης, νανοσωματίδια CuO, ως ευγενή μέταλλα σε καταλύτες, για την απομάκρυνση CO ή ως ρευστό μεταφοράς θερμότητας σε εργαλειομηχανές, λόγο των εξαιρετικών ιδιοτήτων θερμικής αγωγιμότητας που παρουσιάζουν, νανοσωματίδια Ag σε καλλυντικά και ιατρικά εργαλεία, λόγω της αντιβακτηριδιακής του δράσης, νανοσωματίδια Al ως πρόσθετο καυσίμου, νανοσωματίδια Mn ως καταλύτης και σε μπαταρίες, νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) ως φάρμακα και σε διάφορες βιολογικές/βιοϊατρικές εφαρμογές (π.χ. μεταφοράς πρωτεϊνών και κυττάρων στο εσωτερικό οργανισμών ή βιοαισθητήρες), νανοϋλικά όπως φουλλερένια C60 σε διάφορες φαρμακευτικές και κλωστοϋφαντουργικές εφαρμογές, νανοϋλικά όπως Pb σε οδοντικά σφραγίσματα, νανοσωματίδια Au, Fe σε ιατρικές εφαρμογές [Aruoja et al., 2009; Glauciene et al., 2012; PEN, 2011; Καβαρνού, 2011; Ζώη, 2007; The Royal Society, 2004]. 17

19 Η χρήση των νανοσωματιδίων από προϊόν σε προϊόν διαφέρει. Έτσι έχουμε χρήση νανοσωματιδίων σε προϊόντα, ως δραστικές ουσίες, ως χρωστικές ουσίες λόγω των ιδιαίτερων οπτικών ιδιοτήτων τους, ως καταλυτικές ουσίες κ.ά.. Στον Πίνακα 2.2 παρουσιάζονται κάποια από τα περισσότερο χρησιμοποιούμενα νανοσωματίδια σήμερα, καθώς και οι χρήσεις τους. Πίνακας 2.2 Εφαρμογές και χρήσεις των περισσότερο διαδεδομένων σήμερα νανοσωματιδίων [Schrand et al., 2012] Τύπος NPs Νανοσωλήνες Άνθρακα Ασήμι Αλουμίνιο Σίδηρος Συντομογραφία CNT Ag Al Fe Διοξείδιο του Τιτανίου TiO2 Οξείδιο του Ψευδαργύρου Οξείδιο του Μαγγανίου Πλατίνα Χρυσός Εφαρμογές Δράσεις Μεταφορά κυττάρων, βιοαισθητήρες Αντιμικροβιακό Πρόσθετο καυσίμου Μαγνητική απεικόνιση Χρωστική σε τρόφιμα και καλλυντικά, απορρύπανση νερού και αέρα ZnO Διαφανή αντηλιακά MnO Pt Au Καταλύτες, μπαταρίες Καταλύτες Βιοϊατρικές εφαρμογές Νανοϊατρική Μεγάλο μέρος των εφαρμογών νανοσωματιδίων απαντώνται στον τομέα της ιατρικής (αντιιατρική). Κάποιες από τις εφαρμογές που περιλαμβάνεται η χρήση νανοσωματιδίων είναι: Σε νέες συσκευές πρώιμης διάγνωσης, παρακολούθησης και συνδυασμένη θεραπεία ποικίλων ασθενειών (π.χ. καρκίνος) [Tedesco et al., 2010]. Σε φαρμακευτικές εφαρμογές για τη μεταφορά και διάδοση μιας δραστικής ουσίας (φάρμακο) σε περιοχές όπου απαιτείται, χωρίς αυτή να διαχυθεί σε γειτονικές περιοχές που μπορεί να προκαλέσει παρενέργειες. Επίσης λόγω των βελτιωμένων ιδιοτήτων των νανοσωματιδίων, παρατηρείται καλύτερη διαλυτότητα και απορροφητικότητα του φαρμάκου, πράγμα που επηρεάζει θετικά την λειτουργικότητα του. Νανοσωματίδια (< 2000 nm), έχουν την δυνατότητα να μεταφερθούν μέσω (ακόμη και) των στενότερων τριχοειδών αγγείων, πράγμα που δίνει τη δυνατότητα να μεταφερθούν σε όλο το σώμα μέσω του κυκλοφοριακού συστήματος. Δεν είναι λίγες οι περιπτώσεις που νανοσωματίδια χορηγούνται ενδομυϊκά ή υποδόρια [Martinez-Paino et al., 2012; Cui et al., 2012; Tedesco et al., 2010; Νόχος, 2008; Καβαρνού, 2011]. Στην βιοϊατρική για τον εντοπισμό ιών και τη βιολογική σήμανση. Ο εντοπισμός πραγματοποιείται επιστρώνοντας μαγνητικά NPs, με εξειδικευμένα αντισώματα όπου ενώνονται με βιολογικά μόρια, όπως DNA, ιοί, βακτήρια, πρωτεΐνες και Εικόνα 2.2 Σύνδεσης μαγνητικών NPs με βιομόρια, για την ανίχνευσή τους: Α) Μαγνητικά NPs σε σύνδεση με αντισώματα, Β) Βιομόρια σε σωματικά υγρά ή ιστούς, Γ) Ορατά συσσωματώματα [Νόχος, 2008] 18

20 άλλα, σχηματίζοντας όγκους που είναι ορατοί από τις συμβατικές μαγνητικές μεθόδους ανίχνευσης [Νόχος, 2008; Tedesco et al., 2010]. Ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται αυτή η διαδικασία, παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.2. Επίσης, κολλοειδή νανοσωματίδια, που έχουν την ικανότητα έντονης ακτινοβολίας, παράγονται σε μεγέθη όμοια με αυτά των βιολογικών μορίων και δίνουν την δυνατότητα εύκολης ανίχνευσης με τη χρήση φωτοανιχνευτών. Άλλα νανοσωματίδια έχουν την δυνατότητα να προσδένονται σε πεπτίδια, αντισώματα και νουκλεϊκά οξέα, δρώντας έτσι ως ανιχνευτές κυτταρικών κινήσεων, πρωτεϊνών και αλλαγών σε μοριακό επίπεδο κ.ά. [Ζώη, 2007; Καβαρνού, 2011]. Στην μαγνητική απεικόνιση (μαγνητική τομογραφία - MRI) όπου συνδυάζοντας με κβαντικές τελείες, αυξάνεται η αντίθεση και υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής εικόνων καρκινικών όγκων, εξαιρετικής ποιότητας [Νόχος, 2008]. Σε μελλοντική παραγωγή τεχνητών οργάνων και εμφυτευμάτων, μετά από συνδυασμό νανοτεχνολογίας και βιοτεχνολογίας. Έτσι, μέσω της κυτταρικής ανάπτυξης θα είναι δυνατόν να αντικαταστήσουν κατεστραμμένα νευρικά κύτταρα, περιοχές του δέρματος καθώς και οστά [Ζώη, 2007]. Κάποιες επιπλέον εφαρμογές νανοσωματιδίων στον τομέα της νανοϊατρικής, είναι: Στην έρευνα της δομής του DNA Στην μηχανική των ιστών Στην καταστροφή καρκινικών κυττάρων με θέρμανση (hyperthermia) Στον διαχωρισμός και καθαρισμό βιολογικών μορίων και κυττάρων Στην βιολογική σήμανση με φθορισμό Στην μεταφορά γονιδίων Τα μεταλλικά νανοσωματίδια πλεονεκτούν έναντι των κοινών χημικών αντιμικροβιακών ουσιών, λόγω των πολλαπλών μηχανισμών τοξικότητας που έχουν (βλέπε εδάφιο 3.2 Μηχανισμοί Τοξικότητας Νανοσωματιδίων), πράγμα που καθιστά τα μικρόβια αδύνατα να αντισταθούν, καθώς θα πρέπει να υποστούν πολλαπλές μεταλλάξεις, Επίσης τα νανοσωματίδια μεταλλικών οξειδίων πλεονεκτούν ως προς τη δυνατότητα προσαρμογής της δομής τους ανάλογα με τον τομέα εφαρμογή τους [Καβαρνού, 2011; Νόχος, 2008] Νανοηλεκτρονική Οπτοηλεκτρονική Άλλος μεγάλος τομέας εφαρμογής των νανοσωματιδίων, είναι αυτός της νανοηλεκτρονικής. Λόγω των κβαντικών φαινομένων μεταφοράς ηλεκτρονίων, που παρουσιάζουν τα νανοσωματίδια, δύναται να πραγματοποιηθεί η ανάπτυξη καινοτόμων διατάξεων, όπως λογικά στοιχεία, μνήμες (σημαντική εφαρμογή των μαγνητικών μεταλλικών νανοσωματιδίων, λόγω της υψηλής πυκνότητας αποθήκευσης πληροφορίας), διατάξεις μοριακής αναγνώρισης μέσω μαγνητικού συντονισμού κ.ά.. Επίσης τα τρανζίστορ ενός ηλεκτρονίου (Single electron transistor SET), δύναται να σχηματιστούν με τη σύνδεση κολλοειδών νανοσωματιδίων με οργανική επικάλυψη, όπου μέσω αυτών επιτυγχάνεται η μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ ηλεκτροδίων. Επίσης, δίοδοι εκπομπής φωτός δύναται να κατασκευαστούν με τη δημιουργία στρωμάτων ακτινοβολούμενων κολλοειδών νανοσωματιδίων, λόγω των 19

21 εξαιρετικών οπτικών, φωταύγειας και ηλεκτροφωταύγειας ιδιοτήτων που παρουσιάζουν. Οι συσκευές αυτές απαιτούν χαμηλή τάση και παρέχουν την δυνατότητα ρύθμισης του μήκους κύματος, με ρύθμιση του μεγέθους των νανοσωματιδίων [Ζώη, 2007] Κατάλυση Ο μεγάλος λόγος επιφανείας προς όγκο των NPs, ως εκ τούτου και της υψηλής χημικής και φωτοχημικής δραστικότητας τους, τα καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικά στον τομέα της κατάλυσης. Πολλά νανοσωματίδια (TiO2, CuO κ.ά), παρουσιάζουν ισχυρές καταλυτικές ιδιότητες και έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε καταλυτικές εφαρμογές. Τη διαφορά σε αυτό το τομέα κάνουν τα νανοσωματίδια πλατίνας (Pt), τα οποία επικαλυμμένα με οργανικά μόρια είναι ιδιαιτέρως ενεργά. Επίσης νανοσωματίδια χρυσού, μεγέθους 3-5 nm σε υποστρώματα Co3O4, Fe2O4 και TiO2, έχει βρεθεί ότι παρουσιάζουν ισχυρές καταλυτικές ιδιότητες, κατά την οξείδωση διαφόρων ρύπων (CO, NOx κ.ά.) [PEN, 2011; Glauciene et al., 2012; Καβαρνού, 2011; Ζώη, 2007]. 2.4 Σύνθεση Νανοσωματιδίων Ο τρόπος παρασκευής των νανοϋλικών, παίζει σημαντικό ρόλο στις ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους, στο περιβάλλον και τους οργανισμούς. Μεταβάλλοντας ορισμένες παραμέτρους κατά την διαδικασία παραγωγής των νανοϋλικών δύναται να ελεγχθούν διάφορα χαρακτηριστικά όπως το μέγεθος των νανοϋλικών, η χημεία της επιφάνειας, το σχήμα, κ.ά.. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή νανοϋλικών, χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: 1. μέθοδοι σύνθεσης σε υγρή φάση (υγρής χημείας). Κάποιοι μέθοδοι σύνθεσης νανοσωματιδίων κατά την υγρή φάση, είναι η μέθοδος της κολλοειδούς ζελατινοποίησης (Sol-Gel), η μέθοδος συγκαταβύθισης (Coprecipitation), η μέθοδος της ανερχόμενης υγρασίας (incipient wetness), η μέθοδος εμποτισμού (impregnation), η μέθοδος εγκεντρισμού (grafting), μέθοδοι σύνθεσης σε μικρογαλακτώματα κ.ά.. 2. μέθοδοι σύνθεσης σε αέρια φάση. Κατά τη σύνθεση σε αέρια φάση, μπορούμε να συνθέσουμε νανοσωματίδια: είτε με ατομοποίηση ενός διαλύματος, όπου τα σταγονίδια που σχηματίζονται, κρυσταλλώνονται σε στερεά μετά από εξάτμιση του διαλύτη, είτε με πυρηνοποίηση ενός αέριου και σχηματισμό νανοσωματιδίων μετά από συμπύκνωση και πήξη [Biskos et al., 2008]. Για την εξάτμιση, δύναται να χρησιμοποιηθούν πνευματικοί ψεκαστήρες (πεπιεσμένου αέρα εκνέφωση), ψεκαστήρες υπερήχων ή ηλεκτροϋδροδυναμικοί ψεκαστήρες. Η πυρηνοποίηση, δύναται να πραγματοποιηθεί, με κλίβανους 20

22 θερμότητας, πυρακτωμένα σύρματα, εκκενώσεις σπινθήρων και αντιδραστήρες πλάσματος ή λέιζερ [Biskos et al., 2008] Σύγκριση υγρής και αέρια σύνθεσης Οι μέθοδοι παρασκευής κατά την υγρή και την αέρια φάση, διαφέρουν κατά κύριο λόγο, στο ποσοστό της καθαρότητας των νανοϋλικών που δύναται να επιτευχθεί. Στην περίπτωση των υγρών μεθόδων διάφορες ακαθαρσίες που περιλαμβάνονται στο πρωτογενές διάλυμα δύναται να παρουσιάζονται σε μεγάλο ποσοστό και στα μετέπειτα παραγόμενα νανοσωματίδια. Στην περίπτωση όμως, των μεθόδων παρασκευής κατά την αέρια φάση, αυτό το ποσοστό είναι εξαιρετικά μικρό. Ωστόσο, η παραγωγή νανοσωματιδίων πολλών συστατικών κατά την αέρια φάση, περιέχει μεγάλη δυσκολία σε σχέση με την σύνθεση κατά την υγρή φάση, λόγω διαφορών στις πιέσεις και στην πυρήνωση του κάθε είδους. Όμως η υψηλή καθαρότητα και το στενό εύρος μεγεθών των νανοσωματιδίων που δύναται να παραχθούν κατά την αέρια φάση, καθιστά την τεχνική αποτελεσματικότερη για τη σύνθεση νανοσωματιδίων, ενός συγκεκριμένου υλικού. Ένα θετικό επίσης πλεονέκτημα μεθόδων παρασκευής κατά την αέρια φάση, είναι το μικρό ποσοστό σχηματισμού αποβλήτων που επιτυγχάνεται, και καθιστά τις μεθόδους αυτές ιδιαίτερα ελκυστικές στις περιπτώσεις παραγωγή νανοϋλικών μεγάλης κλίμακας, όπως σε βιομηχανίες οπτικό και νάνο ηλεκτρονικής, ιατρικών συσκευών και άλλες εφαρμογές. 2.5 Ιδιότητες Νανοσωματιδίων Οι ιδιότητες των νανοσωματιδίων, παίζουν τον ουσιαστικότερο ρόλο στο τρόπο που αυτά θα δράσουν και τις συνέπειες που θα έχει η επίδρασή τους. Σε αυτό το εδάφιο περιγράφονται διάφορες ιδιότητες των νανοσωματιδίων και οι αλλαγές που υφίσταται η δράση τους, όταν αυτές μεταβληθούν. Το μέγεθος: Το μέγεθος των νανοσωματιδίων είναι η κύρια μεταβλητή, που επηρεάζει την συμπεριφορά αυτών. Έρευνες έχουν αποδείξει ότι η κυτταρική πρόσληψη των νανοσωματιδίων, η ενδοκυττάρωση, η προσκόλληση, η βιοκατανομή, η συσσώρευση και η κυτταροτοξικότητα, εξαρτώνται στο μεγαλύτερο βαθμό, από το μέγεθος των NPs [Pan et al., 2012; Paino et al., 2012; Cui et al., 2012; Tedesco et al., 2010; Pan et al., 2009]. Πολύ μικρά NPs, που πλησιάζουν το μέγεθος βιολογικών μακρομορίων, δύναται να επηρεάσουν τα βιολογικά συστήματα [Pan et al., 2012]. Πολλοί επιστήμονες συμφωνούν, ότι το μέγεθος των NPs μεταβάλλει τη διάρκεια ζωής τους στο αίμα [Gu et al., 2009]. Αλλαγές επίσης του μεγέθους, προκαλεί αλλαγές στην γεωμετρία της επιφάνειας των νανοσωματιδίων, με αποτέλεσμα τη μετατόπιση του φάσματος απορρόφησης της ακτινοβολίας [Μεριστούδη, 2009]. Το χρώμα των NPs επίσης μεταβάλλεται με την μεταβολή του μεγέθους. Οι αλλαγές αυτές οφείλονται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας που ταλαντώνονται [Vigderman & Zubarev, 2012; Μεριστούδη, 2009]. 21

23 Το σχήμα: Το σχήμα είναι επίσης μια σημαντική παράμετρος που καθορίζει τη συμπεριφορά των νανοσωματιδίων. Η μεταβολή του σχήματος, έχει παρόμοιες επιδράσεις με τις μεταβολές του μεγέθους των NPs. Η κινητική, η βιοκατανομή, τα οπτικά χαρακτηριστικά, η βιοσυμβατότητα, εξαρτάται εξίσου από το σχήμα, όσο και το μέγεθος [Cui et al., 2012]. Ωστόσο σε πολλές περιπτώσεις, είναι αυτό που καθορίζει την συμπεριφορά. Ως παράδειγμα, αναφέρεται η περίπτωση των AuNPs, όπου από το σχήμα τους, εξαρτάται ο συντονισμός στην περιοχή κοντά στο υπέρυθρο, όπου τα νανοσωματίδια φαίνονται πιο διαφανή. Οι νανοράβδοι και οι νανοκυψέλες είναι σε θέση να απορροφούν υπέρυθρη ακτινοβολία σε σχέση με τα νανοσφαιρίδια [Vigderman & Zubarev, 2012]. Εικόνα 2.3 Μεταβολή του φάσματος απορρόφησης σε σχέση με τη μεταβολή του μεγέθους των NPs [Μεριστούδη, 2009] Η χημεία επιφάνειας: Εκτός από το μέγεθος και το σχήμα, η χημεία της επιφάνειας, ως εκ τούτου και το επιφανειακό φορτίο και η δομή του τροποποιητή, παίζει επίσης σημαντικό ρόλο, κυρίως στις επιδράσεις και τη τοξικότητα των NPs [Pan et al., 2009]. Η χημεία της επιφάνειας, παίζει σημαντικότατο ρόλο, στην αλληλεπίδραση νανοσωματιδίων κυττάρων [Gu et al., 2009]. Αναλογία επιφάνειας προς όγκο Ένα από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν τα νανοσωματίδια σε σχέση με τα μεγαλύτερα σωματίδια, είναι η μεγάλη αύξηση του λόγου επιφανείας προς όγκο. Αποτέλεσμα αυτής της ιδιαιτερότητας, είναι η ενίσχυση των επιφανειακών αντιδράσεων και η μοναδικότητα των νανοσωματιδίων για τη προώθηση χημικών αντιδράσεων. Ηλεκτρονική δομή: Στα μέταλλα (αγωγοί), όπως σε κάθε κρυσταλλικό πλέγμα όμοιων ατόμων, υπάρχουν ζώνες ηλεκτρονίων ίδιας ενεργειακής κατάστασης. Οι κατειλημμένες από ηλεκτρόνια ζώνες, ονομάζονται ζώνες σθένους. Η ανώτερη ενεργειακή ζώνη δεν είναι πλήρως κατειλημμένη, με αποτέλεσμα την ροή ηλεκτρονίων, όταν εφαρμοστεί ηλεκτρική τάση στον κρύσταλλο. Η ζώνη αυτή ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας. Στην περίπτωση των ημιαγωγών ή μονωτών, το ενεργειακό χάσμα (διαφορά ενέργειας μεταξύ υψηλής ενεργειακής κατάστασης της ζώνης σθένους και χαμηλής ενεργειακής κατάστασης της ζώνης αγωγιμότητας), δεν ευνοεί τη ροή ηλεκτρονίων. Σε διαστάσεις νανοκλίμακας, το μήκος της περιοχής ενεργειακού χάσματος, είναι σχεδόν όμοιο με το μέγεθος του, με αποτέλεσμα οι ενεργειακές καταστάσεις των ηλεκτρονίων να γίνονται αντιληπτές, λόγω κβαντικού εντοπισμού. Η διαφορά μεταξύ των ενεργειακών καταστάσεων (ενεργειακό χάσμα), είναι εξαρτώμενη από το μέγεθος και αυξάνεται με την μείωση του μεγέθους του κρυστάλλου [Καφεσάκη, 2012; Ζώη, 22

24 2007; Αναστασόπουλος, 2012]. Αποτέλεσμα των παραπάνω, είναι η διαφορετική συμπεριφορά των NPs στη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου όταν εφαρμοστεί σε αυτά ηλεκτρική τάση. Οπτικές ιδιότητες: Καθώς ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με ενέργεια μεγαλύτερη του ενεργειακού χάσματος, προσπίπτει σε ένα ημιαγωγό σωματίδιο, δημιουργούνται οπές στη ζώνη σθένους με αποτέλεσμα τη συντονισμένη κίνηση ελεύθερων Εικόνα 2.4 Ενεργειακά διαγράμματα μετάλλου και ηλεκτρονίων (ζεύγη ηλεκτρονίων ημιαγωγού. Α) κανονικές διαστάσεις. Β) Διαστάσεις οπών) στο κρυσταλλικό πλέγμα, νανοκλίμακας. δ1, δ2 και δ3 οι ενεργειακές διαφορές των ενεργειακών καταστάσεων του κρυστάλλου. Εg μεταξύ της ζώνης σθένους και της διαδοχικών toτο ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. [Ζώη, 2007] ζώνης αγωγιμότητας. Στο φάσμα απορρόφησης, παρουσιάζονται ακτινοβολούμενες μεταπτώσεις μεταξύ των ενεργειακών ζωνών, με την μικρότερη ενεργειακή απορρόφηση να ονομάζεται ακμή απορρόφησης. Όπως προαναφέρθηκε, στη περίπτωση των νανοδομών, το ενεργειακό χάσμα αυξάνεται με τη μείωση του μεγέθους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την μεταφορά της ακμής απορρόφησης σε υψηλότερες ενέργειες και ως εκ τούτου, τη δυνατότητα των νανοϋλικών να εμφανίζουν νέες ή ιδιαίτερες οπτικές ιδιότητες. Σε αυτό το φαινόμενο, οφείλεται και η λαμπρότητα των μεταλλικών νανοσωματιδίων, όπως για παράδειγμα των AuNPs, όπου σε διάμετρο nm, το χρώμα που παρατηρείται είναι έντονο κόκκινο, ενώ με την αύξηση του μεγέθους, μετατρέπεται αρχικά σε μπλε και στη συνέχεια σε έντονο κίτρινο. [Ζώη, 2007] 2.6 Χαρακτηρισμός Νανοσωματιδίων Για την σωστή κατανόηση, τη περιγραφή και τον έλεγχο της σύνθεσης των νανοϋλικών, πριν από οποιαδήποτε εφαρμογή, πρέπει να πραγματοποιηθεί ο χαρακτηρισμός τους. Με το όρο χαρακτηρισμό, εννοούμε την κατηγοριοποίηση των νανοϋλικών με βάση τα διάφορα χαρακτηριστικά και τις ιδιαίτερες ιδιότητες που παρουσιάζουν. Ο χαρακτηρισμός των νανοϋλικών, αποτελεί το πιο σημαντικό και ενδιαφέρον πεδίο της βασικής και εφαρμοσμένης έρευνας και είναι απαραίτητος για την κατανόηση των διαδικασιών που συμβαίνουν στην επιφάνεια των νανοϋλικών όταν έρχονται σε επαφή με διάφορους οργανισμούς, με αποτέλεσμα πολλές φορές τις τοξικές επιδράσεις [Glauciene et al., 2012; Elsaesser et al., 2012; Kasemets et al., 2009; Τεχνική Επιθεώρηση, 2012; Καβαρνού, 2011]. Για τον χαρακτηρισμό, απαιτούνται διάφορες τεχνικές, όπως η ηλεκτρονική μικροσκοπία (Transmission Electron Microscopy TEM, Scanning Electron Microscopy SEM και Atomic Force Microscopy - AFM), η δυναμική σκέδασης φωτός (Dynamic Light Scattering DLS), η φασματοσκοπία ακτινών -X (XPS), η ηλεκτροφορητική σκέδαση φωτός (ζ - potential), η υπεριώδης-ορατή φασματοσκοπία (UV-vis) και άλλες τεχνικές, οι οποίες προέρχονται κυρίως από τον χώρο της 23

25 Επιστήμης των Υλικών [Schrand et al., 2010; New Medical, 2012; Νόχος, 2008; Καβαρνού, 2008]. Στην Εικόνα 2.5, παρουσιάζεται η διακριτική ικανότητα διαφόρων τεχνικών που χρησιμοποιούνται κατά τον χαρακτηρισμό. Εικόνα 2.5 Διακριτική ικανότητα, διαφόρων τεχνικών χαρακτηρισμού νανοϋλικών [Νόχος, 2008] Τα χαρακτηριστικά που πρέπει να προσδιοριστούν, ποικίλουν. Μπορεί να είναι τόσο οι φυσικές (σχήμα, μορφολογία, επιφάνεια, διαλυτότητα, μέγεθος κ.ά.), όσο και οι χημικές (χημεία επιφάνειας, σύνθεση, κρυσταλλική δομή, ζ- δυναμικό, πυκνότητα, συσσωρευτική ικανότητα κ.ά.) ιδιότητες των νανοϋλικών. Η μεγάλη επιφάνεια ενός νανοϋλικού προς τον συνολικό όγκο, είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα ιδιότητα που ερευνάται, λόγω της αυξημένης χημικής δραστικότητας, που έχει ως αποτέλεσμα. Ένα ακόμη χαρακτηριστικό, βάση του οποίου γίνεται η κατηγοριοποίηση, είναι η ακινησία του νανοϋλικού σε ένα υλικό, όπως για παράδειγμα ως μέρος της επιφάνειας ενός άλλου υλικού, που αποτελείται από αδέσμευτα σωματίδια, διαμέτρων νανοκλίμακας, που κινούνται ελεύθερα εντός του σώματος [Schrand et al., 2010; Glauciene et al., 2012; Elsaesser et al., 2012; Teeguarden et al., 2007]. Στη συνέχεια παρουσιάζονται κάποιες από τις σημαντικότερες μεθόδους χαρακτηρισμού των νανοσωματιδίων. Οι τεχνικές της μακροσκοπίας, που περιλαμβάνουν την μέθοδο μικροσκοπίας ατομικής δύναμης (AFM), τη Εικόνα 2.6 Τρισδιάστατος μέθοδο ανάλυσης ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM) και προσδιορισμός όγκου & τη μέθοδο μικροσκοπίας μεταφοράς (TEM), τραχύτητας με την μέθοδος AFM [Νόχος, 2008] χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των επιφανειακών και διεπιφανειακών αντιδράσεων, του σχήματος, της επιφανειακής μορφολογίας των νανοϋλικών και της συσσώρευση των νανοϋλικών στα κύτταρα. Η μέθοδος AFM σε σχέση με τις μεθόδους SEM και TEM πλεονεκτεί, διότι δύναται να παρουσιάσει τα δεδομένα σε μορφές τριών διαστάσεων, έναντι των δύο διαστάσεων των υπολοίπων, καθώς επίσης δύναται να συλλέξει εικόνες σε όλα τα περιβάλλοντα (αέρα, κενό, υγρά), με ελάχιστη προετοιμασία και διατηρώντας την ακεραιότητα των δειγμάτων. Η μέθοδος AFM, λειτουργεί με σάρωση μιας επιφάνειας με μια ακίδα, η οποία εκτρέπεται από διάφορες δυνάμεις επαφής (π.χ.: Van der Waals, μαγνητικές, 24

26 ηλεκτροστατικές κ.ά.) που δημιουργούνται μεταξύ αυτής και της εξεταζόμενης επιφάνειας. Στην άκρη της ακίδας, υπάρχει ένα άτομο που σχηματίζει δεσμούς με τα επιφανειακά άτομα, που μεταβάλλουν την δονητικής τους συχνότητα, αναγνωρίζοντας τα [Elsaesser, et al., 2012; Teeguarden et al., 2007; Νόχος, 2008]. Στην Εικόνα 2.6, παρουσιάζονται κάποιες τρισδιάστατες εικόνες της μεθόδου AFM. Η μέθοδος της δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS), είναι από τις πιο διαδεδομένες στον προσδιορισμό της κατανομής μεγέθους των νανοϋλικών. Δύναται να διακρίνει το μέγεθος νανοδομών, είτε σε διάλυμα, είτε σε διασπορά με ελάχιστη προετοιμασία δείγματος. Αυτό πραγματοποιείται μετρώντας τη συχνότητα με την οποία Εικόνα 2.7 Κατανομή μεγέθους NPs με οπτική & στατιστική τρεμοπαίζει μια δέσμη λέιζερ, κατά την σκέδασή της από ανάλυση NTA [Νόχος, 2008] τα κινούμενα σωματίδια σε ένα διάλυμα, και είναι ανάλογη της κίνησης Brown, η οποία είναι ανάλογη του μεγέθους των σωματιδίων. Είναι μια αξιόπιστη μέθοδος για την στατιστική ανάλυση μεγάλου όγκου σωματιδίων ταυτόχρονα, και προσφέρει μεγάλο εύρος ανίχνευσης σωματιδιακών μεγεθών ( nm). Μια άλλη επίσης, σύγχρονη μέθοδος, ανάλυσης της κατανομής μεγέθους των νανοϋλικών, είναι η οπτική και στατιστική ανάλυση με αναλυτή κατανομής νανοσωματιδίων (NTA) (Εικόνα 2.7). Κατά την ανάλυση NTA, μια ψηφιακή κάμερα, συλλέγει το φως μιας δέσμης λέιζερ, που σκεδάζεται από κάθε σωματίδιο χωριστά. Πλεονεκτεί έναντι της μεθόδου DLS, λόγω της δυνατότητάς της να παρακολουθεί κάθε σωματίδιο χωριστά, δεν απαιτείται η γνώση του δείκτη διάθλασης κάθε υλικού σε διασπορά, λειτουργεί και με πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, ενώ δύναται να εκτιμήσεις και τη συγκέντρωση των νανοσωματιδίων. Μειονεκτεί ως προς το εύρος ανίχνευσης μεγεθών ( nm). Το επιφανειακό φορτίο των νανοϋλικών (ζδυναμικό) και η επιφανειακή μορφολογία τους, είναι δυο χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τη σταθερότητα, τη βιοκατανομή και την διάρρηξη των κυττάρων σε έναν οργανισμό. Είναι το δυναμικό που εμφανίζεται στη διεπιφανειακή διπλοστοιβάδα, μεταξύ ενός υγρού και των διεσπαρμένων στερεών σωματιδίων, τα οποία εμφανίζουν ένα επιφανειακό φορτίο εξαιτίας ιονισμού των επιφανειακών ομάδων, ή των προσροφημένων φορτισμένων μορίων. Αποτέλεσμα αυτών, είναι η Εικόνα 2.8 Αναπαράσταση της μεθόδου προσδιορισμού ζμεταβολή της συγκέντρωσης των ιόντων του διαλύματος, δυναμικού [Νόχος, 2008] και η δημιουργία ενός περιμετρικού επιφανειακού στρώματος, διαφορετικής κατανομής ιόντων. Κατά τον προσδιορισμό του ζδυναμικού, τα φορτισμένα σωματίδια, αποκτούν κίνηση με την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου (μεταξύ ηλεκτροδίων). Οι μεταβολές φορτίου μεταξύ των ηλεκτροδίων, προκαλούν τη κίνηση των σωματιδίων, με μεγάλη ταχύτητα, η οποία είναι ανάλογη του φορτίου και του εφαρμοζόμενου δυναμικού. Έτσι, με προσδιορισμό του φαινομένου Doppler (σκέδαση λέιζερ από τα νανοϋλικά), προσδιορίζεται η ταχύτητα των σωματιδίων [Νόχος, 2008]. 25

27 Στον Πίνακα 2.3, παρουσιάζονται κάποιες από τις τεχνικές, που έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες έρευνες, για τον προσδιορισμό διαφόρων χαρακτηριστικών. Πίνακας 2.3 Μέθοδοι χαρακτηρισμού που έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες έρευνες Ιδιότητα Κατανομή μεγεθών Επιφάνεια Μορφολογία Μέθοδος Δυναμική σκέδαση φωτός (Dynamic Light Scattering DLS) Ηλεκτροφορητική σκέδαση φωτός (ζ potential) Φασματοσκοπία ορατού (UV-vis) Ηλεκτρονική μικροσκοπία διαπερατότητας (TEM) Η τεχνική Brunauer Emmet - Teller (BET) Η αντίστροφη αέρια χρωματογραφία (IGC) Φασματοσκοπία ορατού (UV-vis) Δυναμική σκέδαση φωτός (Dynamic Light Scattering DLS) Ηλεκτροφορητική σκέδαση φωτός (ζ potential) Μικροσκοπία ηλεκτρονικής σάρωσης (SEM) Ηλεκτρονική μικροσκοπία διαπερατότητας (TEM) Η φασματοσκοπία επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICPS) Μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) Προσδιορισμός της κρυσταλλικής φάσης με την τεχνική περίθλασης Shimadzu XDA ή XRD (λ = 1542 Å ακτινοβολία ) 26

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΚΘΕΣΗ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΣΕ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ 3.1 Γενικά Η έκθεση (δημόσια ή επαγγελματική) των ανθρώπων στα νανοϋλικά, έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, αποτέλεσμα της ταχέως αναπτυσσόμενης νανοτεχνολογίας. Ως εκ τούτου είναι σημαντική και επείγουσα ανάγκη, η συλλογή και συγκέντρωση πληροφοριών, σχετικά με τις τοξικές επιδράσεις των νανοϋλικών στους οργανισμούς, και την ασφαλή χρήση των νανοϋλικών από τους ανθρώπους. Η απελευθέρωση των νανοϋλικών, που χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο στα καταναλωτικά προϊόντα, θα πρέπει να αναμένεται στον αέρα, το υδάτινο και χερσαίο περιβάλλον, σε σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις [Glauciene et al., 2012]. Οι ανησυχίες, αυξάνονται ιδιαίτερα σε περιβάλλοντες χώρους όπου παράγονται μεγάλες ποσότητες σκόνης που μπορεί να περιέχει νανοϋλικά (π.χ. Μαγγάνιο Mn), όπως σε εργοστάσια χάλυβα, σιδήρου, καυσίμων, κατασκευής μπαταριών και σε χώρους όπου πραγματοποιούνται συγκολλήσεις [Schrand et al., 2012]. Σημαντικό παράδειγμα έκθεσης σε εργοστασιακούς χώρους, είναι τα νανοσωματίδια αμιάντου ή άνθρακα που δύναται να προκαλέσουν αρνητικές επιδράσεις στην υγεία των ανθρώπων [Elsaesser et al., 2012]. Επίσης τα απόβλητα των νοικοκυριών που καταλήγουν στα φυσικά νερά ή στο ευρύτερο περιβάλλον, μπορεί να περιέχουν διαφόρων ειδών νανοϋλικά, που μπορούν προκαλέσουν σοβαρές και ανεπανόρθωτες βλάβες σε αυτό, ή να γίνουν αιτία έκθεσης των ανθρώπων [Aruoja et al., 2009]. Επιπλέον, οι πυρκαγιές, η ηφαιστειακή δραστηριότητα η θέρμανση και το μαγείρεμα, έχουν αποδειχθεί σημαντικές πηγές πολύ μικρών σωματιδίων με φαινομενικά μη τοξικές δράσεις, ενώ πολλοί άνθρωποι έχουν υποκύψει με τα αποτελέσματά τους [The Royal Society, 2004]. Από την μεγάλη ποικιλία των νανοϋλικών που χρησιμοποιούνται στα προϊόντα και στην βιομηχανία, καθώς και από την έκθεση των ανθρώπων και άλλων οργανισμών σε αυτά, διαπιστώνουμε ότι απαιτείται η πραγματοποίηση ερευνών σχετικά με τον τρόπο εισαγωγής και τις συνέπειες των νανοϋλικών στην υγεία των ανθρώπων Ανθρώπινη έκθεση σε νανοϋλικά Η είσοδος των νανοϋλικών, μετά από έκθεση των ανθρώπων σε αυτά, δύναται να συμβεί είτε μέσω δερματικής επαφής, είτε μέσω αναπνευστικού συστήματος, είτε μέσω κατάποσης [Schrand et al., 2012; Elsaesser et al., 2012; The Royal Society, 2004]. 27

29 Με την εισαγωγή των νανοσωματιδίων μέσω του αναπνευστικού συστήματος, οι επιδράσεις στην φατνιακή περιοχή (το κυψελιδικό τοίχωμα και τα τριχοειδή αγγεία έχουν περίπου 500 nm μέγεθος), είναι αναπόφευκτες [Schrand et al., 2012]. Έτσι τα νανοσωματίδια είναι σε θέση να περάσουν στο κυκλοφορικό σύστημα και να έχουν πρόσβαση στο υπόλοιπα όργανα του σώματος. Αν και το αναπνευστικό σύστημα περιλαμβάνει αμυντικούς μηχανισμούς έναντι των σωματιδίων (βλέννες, βλεννοκροσσωτό σύστημα), αδυνατεί να συγκρατήσει τα νανοσωματίδια, λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους τους. Έτσι τα νανοσωματίδια δύναται να μετατοπιστούν από τους Εικόνα 3.1 Πνεύμονες: πύλη εισόδου, πνεύμονες στο ήπαρ, τη σπλήνα, την καρδιά και σε Ήπαρ: χώρος συσσώρευσης, άλλα όργανα καταλήγοντας επίσης και στον Εγκέφαλος: περισσότερο ευάλωτο σύστημα [Elsaesser et al, 2012] εγκέφαλο, ο οποίος είναι και το πιο ευάλωτο σύστημα στα νανοσωματίδια. Κύριος μηχανισμός μετατόπισης των νανοσωματιδίων στο υπόλοιπο σώμα, θεωρείται η ενδοκυττάρωση μέσω των κυψελιδικών επιθηλιακών κυττάρων [Elsaesser et al., 2012]. Επιπλέον, η είσοδος νανοσωματιδίων στον ανθρώπινο σώμα, μπορεί να επιτευχθεί μέσω του οσφρητικού βολβού, μια δυνητικά επικίνδυνη διαδρομή λόγω της άμεσης πρόσβασης και επίδρασης των νανοσωματιδίων στον κεντρικό νευρικό σύστημα [Elsaesser et al., 2012]. Η δερματική επαφή είναι μια άλλη σημαντική διαδρομή εισαγωγής των νανοσωματιδίων στο σώμα. Παράδειγμα αποτελούν τα νανοσωματίδια TiO2 και ZnO που απαντώνται στα αντηλιακά προϊόντα και μπορούν να έχουν πρόσβαση μέσω των τριχοθυλακίων ή μέσω πληγών προκαλώντας διάφορες τοξικές επιδράσεις. Επίσης φουρένια και άλλα νανοσωματίδια έχουν αποδειχθεί πως διεισδύουν από το δέρμα ανάλογα βέβαια με το μέγεθος και τις επιφανειακές τους ιδιότητες. Άλλη διαδρομή εισαγωγής νανοσωματιδίων στο σώμα αποτελεί και η γαστρεντερική αφομοίωση και ως εκ τούτου το σύστημα κατάποσης, δεδομένου πως πολλά νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται σε συσκευασίες, στην επεξεργασία και ως πρόσθετα σε τρόφιμα και ποτά [Elsaesser et al., 2012]. Τέλος σημαντικές ασθένειες του πνεύμονα, έχουν αποδειχθεί πως προκαλούνται από διάφορα στοιχεία, όπως η σκόνη ορυκτών, τα σωματίδια αιθάλης και άλλες ουσίες, που βρίσκονται ως ρύπανση στην ατμόσφαιρα και έχουν μεγέθη περίπου 10 nm. Αυτά τα μεγέθη καθιστούν αυτά τα στοιχεία ικανά να παραμείνουν στην ατμόσφαιρα για ημέρες ή βδομάδες, έχοντας την δυνατότητα να συγχωνεύονται σε μεγαλύτερα σωματίδια (100 nm), κάνοντας την έκθεση των ανθρώπων σε αυτά αρκετά σημαντική. Εικόνα 3.2 Νανοσωματίδια αιθάλης μέσω με την μέθοδο απεικόνισης SEM [The Royal Society, 2004] 28

30 Υπάρχουν πολλά διαθέσιμα ανθρώπινα επιδημιολογικά δεδομένα, που μαρτυρούν την επικινδυνότητα και τις συνέπειες της σωματιδιακής σκόνης, των σωματιδίων αιθάλης και άλλων ρύπων (< 100 nm) στους ανθρώπους και το περιβάλλον. Ανησυχία επίσης προκαλούν διάφορες έρευνες, οι οποίες έχουν δείξει ότι τα νανοσωματίδια έχουν τη δυνατότητα να περάσουν από την μητέρα στο έμβρυο, όπου αποτελεί έναν αρκετά ευάλωτο στόχο. Παράδειγμα τέτοιων σωματιδίων έχουν βρεθεί να είναι και ο χρυσός και τα φουρένια που αποδείχθηκαν να έχουν μοιραίο αποτέλεσμα σε έμβρυα ποντικού [Elsaesser et al., 2012] Τα νανοϋλικά στο οικοσύστημα Τα νανοϋλικά, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, δύναται να ελευθερωθούν στο ευρύτερο περιβάλλον και από ανθρώπινες δραστηριότητες (προϊόντα καύσεων, μαγείρεμα, εξατμίσεις μηχανών εσωτερικής καύσης κ.ά.), καθώς και από φυσικές δραστηριότητες (προϊόντα φωτοχημικών ή ηφαιστειακών δράσεων κ.ά.). Ανάλογα με τον τύπο της δραστηριότητας, αναφέρονται ως φυσικά και βιομηχανοποιημένα νανοϋλικά [The Royal Society, 2004]. Τα νανοϋλικά που απελευθερώνονται στο περιβάλλον έρχονται σε επαφή με το έδαφος, τον αέρα και τα ύδατα, αλληλεπιδρώντας μεταξύ τους προξενώντας διάφορες, κυρίως αρνητικές επιδράσεις στο οικοσύστημα. Η παρακολούθηση και η περιγραφή της δράσης των νανοϋλικών στα διάφορα οικοσυστήματα, είναι πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθεί για τον εξής λόγο: μόλις τα νανοσωματίδια εισέλθουν στο οικοσύστημα, υφίστανται αλλαγές στις ιδιότητες της επιφανείας τους και σε άλλα χαρακτηριστικά, οι οποίες με τη σειρά τους μπορεί να οδηγήσουν σε αλλαγές στις σωματιδιακές χρώσεις και στους μηχανισμούς δράσης αυτών. Επιπλέον, τα νανοϋλικά είτε στο οικοσύστημα, είτε σε βιολογικό περιβάλλον, δεν πρέπει να θεωρούνται ποτέ «γυμνά», για τον λόγο ότι μόλις έρχονται σε επαφή με ετερογενή περιβάλλοντα, διάφορα υγρά, αέρια, άτομα, μόρια, πρωτεΐνες ή άλλες μικροδομές που βρίσκονται σε αυτό, προσκολλώνται στην επιφάνεια των νανοϋλικών (είτε έντονα, είτε αδύναμα), δημιουργώντας μια εξωτερική στοιβάδα η οποία καθορίζει τις ιδιότητες αυτού, του «νέου» σωματιδίου (νανοϋλικό + εξωτερική στοιβάδα) [Elsaesser et al., 2012]. Η εξωτερική αυτή στοιβάδα ονομάζεται στέμμα. Στην Εικόνα 3.3 παρουσιάζεται μια σχηματική απεικόνιση αυτού του φαινομένου. Εικόνα 3.3 Σχηματική απεικόνιση της δημιουργίας της εξωτερικής στοιβάδας (στέμμα) a) το «γυμνό» νανοϋλικό b) η αλληλεπίδραση του «γυμνού» νανοϋλικού και των μικροδομών c) η δημιουργία του «στέμματος» [Elsaesser et al., 2012] 29

31 Το στέμμα μπορεί να είναι είτε σκληρό, είτε μαλακό. Η πρώτη περίπτωση συμβαίνει όταν οι μικροδομές είναι σταθερά προσκολλημένες στην επιφάνεια του νανοϋλικού, ενώ η δεύτερη περίπτωση όταν οι μικροδομές δεσμεύονται μόνο ασθενώς, σχηματίζοντας ένα στρώμα ισορροπίας μεταξύ νανοϋλικού και περιβάλλουσας ύλης [Elsaesser et al., 2012]. Έτσι, η επιστημονική κοινότητα, μετά από αυτά τα ευρήματα, θεωρεί εξαιρετικά σημαντική την μελέτη των νανοσωματιδίων και των οικοσυστημάτων ως σύνολο, προκειμένου να κατανοήσουμε την συμπεριφορά τους 3.2 Μηχανισμοί Τοξικότητας Νανοσωματιδίων Ο τρόπος με τον οποίο τα νανοσωματίδια επηρεάζουν τους οργανισμούς, αποτελεί το σημαντικότερο πεδίο των ερευνών της νανοτοξικολογίας. Στο εδάφιο αυτό, περιγράφονται κάποιοι από τους μηχανισμούς, με του οποίους τα νανοσωματίδια, επηρεάζουν αρνητικά τους οργανισμούς, μέσω της νάνο-βίο-διεπαφής με τα κύτταρα. Αν και η αλληλεπίδραση μεταξύ των νανοσωματιδίων και των βιολογικών συστημάτων, δεν είναι πλήρως κατανοητή, λόγω της πολυπλοκότητας της αλληλεπίδρασης νανοσωματιδίων - κυττάρων, έρευνες κατά τα τελευταία χρόνια έχουν αποδείξει ορισμένους πιθανούς μηχανισμούς δράσης όπως αυτοί που αναφέρονται στην συνέχεια [Elsaesser et al., 2012]. Οι μηχανισμοί τοξικότητας χωρίζονται σε φυσικούς και χημικούς. Ο κυριότερος φυσικός μηχανισμός τοξικότητας, είναι η διατάραξη των κυτταρικών μεμβρανών [Kasemets et al., 2009; Elsaesser et al., 2012; Καβαρνού, 2011], αποτέλεσμα των οποίων είναι η αύξηση της πιθανότητας εισαγωγής των νανοσωματιδίων στο εσωτερικό των κυττάρων, όπως έχει αποδειχθεί και σε μελέτη νανοτοξικότητας νανοσωματιδίων ZnO σε βακτήρια Streptococcus agalactiae και Staphylococcus aureus [Zhongbing et al., 2008]. Αιτία ενός τέτοιου μηχανισμού, μπορεί να είναι η ικανότητα των νανοσωματιδίων να προσδένονται στον κατάλληλο υποδοχέα της κυτταρικής μεμβράνης, αλλάζοντας τη μορφολογία της, ή ακόμη και η διάρρηξη τους, από την επιφάνεια των νανοσωματιδίων. Άλλοι φυσικοί μηχανισμοί, είναι η μεταβολή διαφόρων μεταφορικών διαδικασιών των κυττάρων, η αναδίπλωση των πρωτεϊνών κατά την οποία η πρωτεΐνη μετασχηματίζεται ή διαπλάθεται, ο κυτταρικός ινιδισμός (μαρμαρυγή) κατά τον οποίο τα κύτταρα συστέλλονται γρήγορα και ακανόνιστα με αποτέλεσμα τη θνησιμότητά τους κ.ά.. Οι φυσικοί μηχανισμοί που αναφέρθηκαν είναι αποτέλεσμα των φυσικών χαρακτηριστικών των σωματιδίων (μέγεθος, σχήμα, επιφάνεια) [Elsaesser et al., 2012; Εικόνα 3.4 Ενδοκυτταρικοί στόχοι και νανοτοξικολογικοί μηχανισμοί [Elsaesser et al., 2012] Αλεξοπούλου, 2008]. 30

32 Ο κυριότερος χημικός μηχανισμός τοξικότητας είναι η δραστηριότητα των αντιδραστικών ειδών οξυγόνου (Reactive Oxidation Species ROS) [Kasemets et al., 2009/1.13]. Ως αντιδραστικά είδη οξυγόνου, ορίζουμε ρίζες, όπως OH, H2O2, και 1O2, τα οποία προκύπτουν από το μοριακό οξυγόνο (O2) ή άλλα μόρια που μετατρέπονται εύκολα σε δραστικές μορφές και μπορούν να συμμετέχουν σε τοξικές αντιδράσεις [Glauciene et al., 2012; Αλεξοπούλου, 2008]. Είναι ο σημαντικότερος μηχανισμός που ερευνάται στην νανοτοξικολογία και προκαλεί δευτερογενείς διαδικασίες που προκαλούν βλάβες και θνησιμότητα των κυττάρων, όπως οξειδωτικό στρες και φλεγμονές. Επίσης, οι δευτερογενής διεργασίες που προέρχονται από την δράση των ROS, έχουν δείξει πως προκαλούν βλάβες στις πρωτεΐνες, τους υδατάνθρακες, τις κυτταρικές μεμβράνες, ακόμη και στο DNA [Kasemets et al., 2009]. Γνωρίζουμε από τη φυσική και τη χημεία, πως τα ηλεκτρόνια που απαντώνται σε ένα μοριακό τροχιακό, πρέπει να έχουν αντίθετη ιδιοστροφορμή (spin). Το γεγονός όμως, ότι το μόριο του O2 αποτελείται από δυο ασύζευκτα ηλεκτρόνια με παράλληλη ιδιοστροφορμή, η ικανότητά του να έλκει και να προσλαμβάνει ηλεκτρόνια από άλλα μόρια, το καθιστά ένα από τα δραστικότερα μόρια. Αυτό έχει ως συνέπεια την αύξηση των τοξικών αντιδράσεων σε έναν οργανισμό [Αλεξοπούλου, 2008]. Ένα παράδειγμα δημιουργίας ROS, είναι με τα νανοσωματίδια TiO2 που δημιουργούν ένα οξειδοαναγωγικό ζευγάρι ηλεκτρονίων/οπών (e/h+), όταν βρεθούν υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας. Όταν στη συνέχεια το ζευγάρι των ηλεκτρονίων, έρθει σε επαφή με H2O δημιουργεί αντιδραστικά είδη οξυγόνου, που έχουν την δυνατότητα πρόκλησης βλαβών στις κυτταρικές μεμβράνες, στις πρωτεΐνες, στο DNA κ.ά. [Glauciene et al., 2012]. Άλλοι χημικοί μηχανισμοί τοξικότητας, Εικόνα 3.5 Η δράση του TiO όταν αντιδράσει 2 είναι η διάλυση των τοξικών ιόντων που με το νερό και τους ρύπους, υπό την επίδραση υπεριώδης ακτινοβολίας [Σπανάκης, περιέχονται κυρίως στα μεταλλικά Μητράκη, 2011] νανοσωματίδια (οξείδια μετάλλων), οξειδωτικές βλάβες, ενζυμική κατάλυση [Elsaesser et al., 2012], λιπιδικά υπεροξείδια που προκαλούν βλάβες στις κυτταρικές μεμβράνες [Καραμερτζάνη, 2011] οδηγώντας σε μεγάλο πορώδες, διαταραχή της κυτταρικής μεμβράνης (ηλεκτρονίων / ιόντων), διαταραχές στη μεταφορά και παράδοση των κυττάρων, διάφορες δράσεις στην επιφάνεια των κυττάρων, η προσκόλληση στα οργανίδια που μπορεί να επηρεάσει διάφορες ζωτικές λειτουργίες (όπως αναπνοή, ανάπτυξη, αναπαραγωγή) κ.ά. [Kasemets et al., 2009; Elsaesser et al., 2012]. Εικόνα 3.6 Μηχανισμοί κυτταρικής τοξικότητας. CYP = κυτόχρωμα [1.36] 31

33 Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, η είσοδος των νανοσωματιδίων στο εσωτερικό των κυττάρων μπορεί να γίνει με τους εξής μηχανισμούς: Φαγοκυττάρωση Ενδοκυττάρωση υγρής φάσης Ενδοκυττάρωση με μεσολάβηση υποδοχέα Η φαγοκυττάρωση αφορά μεγάλα σωματίδια που καταπίνονται και καταστρέφουν τα κύτταρα. Η ενδοκυττάρωση υγρής φάσης, αφορά τη μεταφορά των υγρών, των μορίων καθώς και των νανοσωματιδίων, τα οποία είναι προσδεμένα σε κάποιο οργανίδιο (συνήθως σωματίδια έως 100 nm) διαμέσου της μεμβράνης του κυττάρου. Η ενδοκυττάρωση με την μεσολάβηση υποδοχέα, αφορά επίσης νανοσωματίδια έως 100 nm τα οποία έχουν προσδεθεί σε κάποιον υποδοχέα [Elsaesser et al., 2012; Καβαρνού, 2011]. Επομένως είναι ευρέως αποδεκτό, ότι από την στιγμή που τα νανοσωματίδια εισέλθουν στο εσωτερικό ενός οργανισμού, θα πρέπει να αναμένεται να μετατοπιστούν και σε άλλα όργανα σε απομακρυσμένες περιοχές τους σώματος [Elsaesser et al., 2012]. Άλλες επιδράσεις που είναι δυνατόν να προκληθούν από τη νάνο-βίο-διεπαφή, όταν τα νανοσωματίδια είναι ίδιας τάξης μεγέθους με τις πρωτεΐνες, είναι διάφορες μεταβολές στην ομαλή λειτουργία των πρωτεϊνών και των μακρομορίων που έχουν ενζυμική δράση (π.χ. γαστρίνη), ρυθμιστική δράση (ορμόνες) ή δοκιμή δράση (π.χ. τουμπουλίνη) και είναι απαραίτητες και ζωτικής σημασίας, για σχεδόν όλες τις κυτταρικές δραστηριότητες που συμβαίνουν σε έναν οργανισμό [Elsaesser et al., 2012]. Κάποια από τα αποτελέσματα των παραπάνω δράσεων, μπορεί να είναι διάφορες νευροεκφυλιστικές ασθένειες, αποτέλεσμα της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών που οδηγούν σε αμυλοειδής δομές [Elsaesser et al., 2012], πρόκληση της ασθένειας Parkinson, όπως έχει παρατηρηθεί από τα αυξημένα επίπεδα σωματιδίων Μαγγανίου (Mn) σε ανθρώπους [Schrand et al., 2012], φλεγμονές όπως έχει παρατηρηθεί μετά από έκθεση σε σωματίδια αιθάλης, τα οποία περιείχαν μέταλλα με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά (επιφάνεια, διαλυτότητα κ.ά.) ή μετά από δραστηριότητα ROS [Kasemets et al., 2009/1.16], καθώς και οξειδωτικό στρες, αιτία επίσης της δραστηριότητας ROS [Kasemets et al., 2009], Άλλη επίδραση των νανοσωματιδίων είναι στο DNA. Επιστήμονες έχουν παρατηρήσει πως τα νανοϋλικά μπορούν να δράσουν μέσα στο πυρήνα του κυττάρου, προκαλώντας γονιδιακές τοξικές επιδράσεις στο DNA. Ο λόγος αυτή της δράσης βέβαια, βρίσκεται υπό μελέτη λόγω της δυσκολίας προσδιορισμού της υπευθυνότητας των νανοϋλικών για αυτές τις επιδράσεις. Κάτι που έρχεται να συμπληρωθεί επίσης στη δράση των νανοϋλικών στον πυρήνα του DNA, είναι και οι δραστηριότητες των ROS, που φαίνεται επίσης να προκαλεί βλάβες στο DNA [Elsaesser et al., 2012; Καβαρνού, 2011]. Έχει παρατηρηθεί πως το μέγεθος των νανοσωματιδίων επηρεάζει την επιφανειακή τάση και τις δυνάμεις προσρόφησης στις μεμβράνες των κυττάρων. Οι επιφανειακές ιδιότητες των νανοσωματιδίων, επηρεάζουν αρνητικά τις κυτταρικές μεμβράνες. Η συγκέντρωση όπως έχει παρατηρηθεί από γονιδιακές μελέτες, επηρεάζει επίσης τις κυτταρικές μεμβράνες. Το σχήμα και το μέγεθος φαίνεται να είναι επίσης αιτία για αλλαγές στη μορφολογία και τη σταθερότητα των κυτταρικών μεμβρανών. Τα μιτοχόνδρια έχει παρατηρηθεί πως είναι σημαντικός στόχος των φουρενίων και των νανοσωλήνων άνθρακα. Νανοσωματίδια TiO2 και Ag είναι δυνατόν να βλάψουν τα μιτοχόνδρια και να προκαλέσουν κυτταρική απόπτωση [Elsaesser et al., 2012]. 32

34 Η τοξικότητα των νανοσωματιδίων οφείλεται επίσης στην φάση που βρίσκονται κατά την έκθεση. Ένα παράδειγμα, είναι η παρατήρηση κατά τις μελέτες τοξικότητας του Ag, όπου οι μορφές AgNO3 (liquid) και AgCl ήταν ισχυρότερα τοξικές σε σχέση με τα οξείδια του αργύρου [Schrand et al., 2012]. Τέλος, θα πρέπει να επισημάνουμε πως η περιπλοκότητα του προσδιορισμού της συμπεριφοράς των νανοσωματιδίων, έγκειται στο γεγονός, πως ακόμη κι αν τα νανοσωματίδια είναι όμοια, μπορεί να έχουν διαφορετική συμπεριφορά (π.χ. στην επιφάνεια, στην επίστρωση ή στο μέγεθος), κάνοντας την κατηγοριοποίηση, σχετικά με τις επιδράσεις στα βιολογικά συστήματα και την επικινδυνότητά τους, εξαιρετικά δύσκολη. 33

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΧΡΥΣΟΥ (AuNPs) 4.1 Γενικά Ένα από τα στοιχεία, που τελευταία ελκύουν όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, κυρίως λόγω της πληθώρας βιομηχανικών, ιατρικών και άλλων εφαρμογών που δύναται να χρησιμοποιηθούν, είναι τα νανοσωματίδια χρυσού (AuNPs). Από ιστορικής πλευράς, ενώσεις χρυσού έχουν Εικόνα 4.1 Ακτινοβολούντα χρησιμοποιηθεί από διάφορους αρχαίους πολιτισμούς, κυρίως ως φαρμακευτικά σκευάσματα. Πιστεύεται ότι νανοσωματίδια Χρυσού [Chino, 2012] οι αρχαίοι Αιγύπτιοι, χρησιμοποιούσαν σκευάσματα χρυσού για ιατρική χρήση, καθώς και για ψυχική, σωματική και πνευματική κάθαρση μέσω της κατάποσης, από το 5000 π.χ. Στην αρχαία Κίνα το 2500 π.χ, καταγράφηκε για πρώτη φορά ότι κόκκινος κολλοειδή χρυσός παρασκευαζόταν και χρησιμοποιούταν ως "φάρμακο μακροζωίας", ενώ μέχρι και σήμερα χρησιμοποιείται στην Ινδία για την ανανέωση και αναζωογόνηση των ηλικιωμένων, υπό την ονομασία Swarna Bhasma (τέφρα χρυσού), της Ayurvedic ιατρικής (Ayur- ζωή, vedic- γνώση / Σύστημα "ολιστικής ιατρικής" που βασίζεται σε παρατηρήσεις 5000 ετών [Παπαδοπούλου, 2011]). Οι αρχαίοι Έλληνες επίσης, με λεπτά σωματίδια χρυσού χρωμάτιζαν το γυαλί, το οποίο παραδόξως μετατρεπόταν σε ένα πλούσιο ρουμπίνι. Κατά τον 11ο αιώνα, ο κολλοειδής χρυσός χρησιμοποιούνταν για την απεξάρτηση από το αλκοόλ, τη νικοτίνη, το καφέ και τους υδατάνθρακες. Στις αρχές του 19 ου αιώνα, χειρούργοι εμφύτευαν κάτω από το δέρμα, κοντά σε φλεγμονές, λεπτά κομμάτια χρυσού, ώστε να υποχωρήσει ή να σταματήσει ο πόνος, κάτι που συχνά συνέβαινε, ενώ από το 1972 μέχρι και σήμερα, χρυσός χρησιμοποιείται στη θεραπεία της αρθρίτιδας [Chitta et al., 2010; Παπαδοπούλου, 2011]. 4.2 Εφαρμογές των Νανοσωματιδίων χρυσού Σήμερα, σωματίδια χρυσού και ιδιαίτερα νανομετρικών διαστάσεων, αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο ή συστατικό, σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας, της βιολογίας, της βιοϊατρικής, της προστασίας του περιβάλλοντος κ.ά.. Όπως παρατηρούμε και στο Σχήμα 2.3, μόνο στα καταναλωτικά προϊόντα καθημερινής χρήσης που εμπεριέχονται νανοσωματίδια, 28 από αυτά περιέχουν ως βασικό συστατικό τα νανοσωματίδια χρυσού. Συγκεκριμένα, νανοσωματίδια χρυσού έχουν ερευνηθεί και προταθεί για την χρήση τους ως αντιμικροβιακά σε συσκευασίες τροφίμων [Tedesco et al., 2010; Digeoli et al., 2008], ως καταλύτες, ως φυτοφάρμακα για την βελτίωση της ανάπτυξης σπόρων μαρουλιού [Tedesco et al., 2010], ως φορείς φαρμάκων, για τη διάγνωση και θεραπεία ασθενειών [Tedesco et al., 2010; Pan Yu et al., 2007; Hirn et al., 2011; Shukla et al., 2005], σε προϊόντα αποκατάστασης περιβαλλοντικών ζημιών, όπως η 34

36 ρύπανση με επικίνδυνες ενώσεις (π.χ.: χλωριωμένοι οργανικοί διαλύτες, φυτοφάρμακα κ.ά.), υπόγειων υδάτων [Wong et al., 2009], σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, καλλυντικά, αντισηπτικά, αποσμητικά καθώς και σε άλλα καινοτόμα προϊόντα [Pan Jin-Fen et al., 2012; Farkas et al., 2010; Tedesco et al., 2010] Εφαρμογές των νανοσωματιδίων χρυσού στην βιοϊατρική Ένας από τους τομείς που η νανοτεχνολογία έχει βρει μεγάλη απήχηση, είναι ο τομέας της βιοϊατρικής. Νανοσωματίδια χρυσού έχουν σχεδιαστεί και εφαρμοστεί στον τομέα αυτό, ως φορείς για την στοχευόμενη χορήγηση φαρμάκων, ως εργαλεία σε συσκευές διάγνωσης και μοριακής απεικόνισης, καθώς και στη θεραπεία ασθενειών με ελπιδοφόρα ευρήματα στην περίπτωση του καρκίνου [Paino et al., 2012; Lei Cui et al., 2012; Chithrani et al., 2006; Hirn et al., 2011; Tedesco et al., 2010]. Τα AuNPs δύναται να χρησιμοποιηθούν ως φορείς για την παράδοση φαρμάκων και βιολογικών μορίων, σε συγκεκριμένους κυτταρικούς σχηματισμούς στο εσωτερικών ενός οργανισμού, με την λιγότερη δυνατή διασπορά στις γύρω περιοχές. Μπορούν να σχεδιαστούν με τέτοιο τρόπο, ώστε να αλληλεπιδράσουν με τις πρωτεΐνες ή το DNA, να διαρρήξουν τις κυτταρικές μεμβράνες και να κινηθούν μέσω των αγγείων, παραδίδοντας φάρμακα, πρωτεΐνες, ολιγονουκλεοτίδια, γονίδια και άλλα μόρια σε συγκεκριμένα μέρη του σώματος, αυξάνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα των θεραπειών και μειώνοντας τις απαιτούμενες δόσεις [Tedesco et al., 2010; Chitta et al., 2010; Chithrani et al., 2006; Shukla et al., 2005; Klaine et al., 2008]. Επιπλέον, οι οδοί εισαγωγής των AuNPs στους οργανισμούς Εικόνα 4.2 Σύνδεση τροποποιημένων AuNPs με διάφορα (κατάποση, εισπνοή, ενδοφλέβια βιομόρια με σκοπό την παράδοση, την απεικόνιση και άλλες εφαρμογές [Subinoy et al., 2012] κ.ά.), έχουν ως αποτέλεσμα την άμεση πρόσβασής τους στο αίμα, ως εκ τούτου και τη ταχεία κατανομή τους σε όλο το σώμα [Hirn et al., 2011], ενώ ρυθμίζοντας κατάλληλα το μέγεθός τους, έχουν την ικανότητα να παρακάμψουν τους φυσικούς μηχανικούς φραγμούς των οργανισμών και έχουν πρόσβαση στους ιστούς, και στον εγκέφαλο [Pan Yu et al., 2009]. Η αλληλεπίδραση των AuNPs με τα βιολογικά συστήματα ζώντων οργανισμών, αποτελεί το σημαντικότερο κλάδο της συνεργατικής έρευνας επιστήμης υλικών, βιολογίας και άλλων επιστημών [Pan Yu et al., 2009; Chithrani et al., 2006]. Πολλά πλεονεκτήματα στον τομέα της βιοϊατρικής επίσης, προσφέρει η χρήση των AuNPs στην απεικόνιση και σε διαγνωστικές συσκευές. Η εύκολη τροποποίηση της επιφάνειας τους καθώς και το σύνολο των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους, παρέχουν άριστη ανίχνευση καρκινικών κυττάρων και όγκων, ακόμη και στο πρωταρχικό στάδιο εμφάνισής τους [Hirn et al., 2011]. Μελέτη των Tedesco et al. [2010], απέδειξε την δυνατότητα εφαρμογής και τη μεγάλη ευαισθησία ανίχνευσης των AuNPs, στην απεικόνιση καρκινικών κυττάρων του μαστού και του προστάτη. Επίσης, έρευνα των Hirn et al. [2011], έδειξε την εύκολη ποσοτική απέκκριση των AuNPs. Τα νανοσωματίδια χρυσού, είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα για αυτή την 35

37 εφαρμογή, λόγω της δυνατότητας προσαρμογής των επιφανειακών τους ιδιοτήτων, της βιοσυμβατότητας τους, του μεγάλου χρόνου ζωής τους, καθώς και της αντοχής τους στην φωτοαποσύνθεση. Χάρη στις ειδικές φυσικές, χημικές, μαγνητικές και οπτικές ιδιότητες που παρουσιάζουν, ενισχύουν την ευαισθησία και την ειδικότητα ανίχνευσης. Έτσι μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε νανοσωματιδιακές δομές, που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή χημικών και βιολογικών μορίων, σε μετρήσιμες φυσικές ποσότητες. Αυτό επιτυγχάνεται με τη τροποποίηση της επιφάνειας τους με διάφορα οργανικά μόρια, που δύναται να αλληλεπιδράσουν με τα βιολογικά μόρια (πρωτεΐνες, DNA, ειδικά κύτταρα), δίνοντας ανάλογο μετρήσιμο σήμα. Παράδειγμα αποτελεί η τροποποίηση της επιφάνειας AuNPs με οκτανο-θειόλη, η οποία αλληλεπιδρά με την τολουόλη και το τετρα-χλωρο-αιθυλένιο (ακόμη και σε ποσότητες ppm), με αποτέλεσμα την εξαιρετική ανίχνευσή τους. Άλλη περίπτωση είναι η τροποποίηση με δενδρίτες (αποφυάδες μέρος των νευρώνων, με σκοπό τη συλλογή σημάτων που στέλλονται στο κυτταρικό σώμα του νευρώνα [NeuronWikipedia]) κατά την ανίχνευση προπανόλης ή υγρασίας, καθώς και με αρωματικά μόρια προς ανίχνευση αιθανόλης ή μεθανόλης. Σφαιρικά νανοσωματίδια χρυσού, με έντονο κόκκινο χρωματισμό και διάμετρο nm, έχουν χρησιμοποιηθεί ως βιολογικοί σηματοδότες [Tedesco et al., 2010; Ζώη, 2007]. Τα AuNPs επίσης, μπορούν να συνδεθούν με το αντιγόνο μιας μελετώμενης ουσίας, όπου μέσω της αλληλεπίδρασης ουσίας - αντιγόνου, να επιτευχθεί ο ποσοτικός προσδιορισμός της ουσίας. Αισθητήρες αλληλεπίδρασης ουσίας αντιγόνου, καλούνται οπτικοί αισθητήρες βιομορίων και ανιχνεύουν τις αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες των αλληλεπιδρώντων νανοσωματιδίων με τα βιομόρια. Με την χρήση μονοδιάστατων δομών (νανοσύρματα) σε εφαρμογές οπτικών αισθητήρων βιομορίων, πετυχαίνεται υψηλή ευαισθησία και επιλεκτικότητα, εξαιτίας του μικρού μεγέθους και της προσανατολισμένης διάταξής των νανοδομών. Παράδειγμα αποτελεί η χρήση νανοσυρμάτων οξειδίου του ίνδιου (InO) σε συσκευές ανίχνευσης αερίου NOx, όπου επιτεύχθηκε ανίχνευση ποσότητας μέχρι και μερικά μέρη στο δισεκατομμύριο (ppb) [Ζώη, 2007; Tedesco et al., 2010]. 4.3 Ιδιότητες AuNPs Τα AuNPs ελκύουν τεράστιο επιστημονικό ενδιαφέρον σε σχέση με τα υπόλοιπα νανοσωματίδια, εξαιτίας ενός πλήθους μοναδικών ιδιοτήτων που τους επιτρέπει την χρήση τους ως ενεργά υλικά σε διάφορους τομείς [Paino et al., 2012]. Η χημική τους σταθερότητα κατά την οξείδωση και η βιοσυμβατότητα τους, συγχρόνως με την ευκολία σύνθεσης, ελέγχου των ιδιοτήτων τους και ενεργοποίησης που παρουσιάζουν, τα καθιστά ελκυστικότερα από άλλα νανοσωματίδια, συμπεριλαμβανομένων και των υπόλοιπων ευγενών μετάλλων [Lei Cui et al., 2012; Subinoy et al., 2012; Chitta et al., 2010; Lasagna-Reeves et al., 2010; Μεριστούδη, 2009]. Η βιοσυμβατότητα τους, το ευρύ φάσμα μεγεθών που μπορεί να επιτευχθεί (1 150 nm) και η μεγάλη τους επιφάνεια που παρέχει μια εξαιρετική πλατφόρμα για την προσάρτηση φαρμάκων και βιομορίων, αποτελούν πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητές. Επίσης ενδιαφέρον, είναι και το πολύπλευρο συνθετικό ικρίωμα που έχουν, δίνοντας τους τη δυνατότητα για σύνδεση με πολλαπλά φάρμακα και βιομόρια [Subinoy et al., 2012; Chitta et al., 2010]. Παραδείγματα αποτελούν οι πολλαπλές αμίνες που δύναται να τροποποιήσουν την επιφάνεια τους, ως εκ τούτου και η σύνδεση με τα πολλαπλά μόρια μέσω αμιδικών δεσμών σε ήπιες συνθήκες [Yan-Juan Gu et al., 2009]. Όμοια συμβαίνει και στην περίπτωση τροποποίησης τους με ομάδες 36

38 θειόλων μέσω ομοιοπολικών δεσμών [Vigderman & Zubarev, 2012]. Η ευκολία σύνθεσης σε διάφορα μεγέθη, και σχήματα (ραβδοειδής, σφαιρικά, θύλακες κ.ά.), καθώς και η εύκολη τροποποίηση της επιφάνειάς τους, αποτελούν δυο από τις σημαντικότερες ιδιότητές τους επίσης [Lasagna-Reeves et al., 2010; Vigderman & Zubarev, 2012]. Άλλη σημαντική ιδιότητα, είναι η υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο που παρουσιάζουν όλα τα νανοσωματίδια, ως εκ τούτου και του υψηλού φορτίου που δύναται να μεταφέρουν, σε συνδυασμό με τις υπόλοιπες μοναδικές ιδιότητές των συγκεκριμένων νανοσωματιδίων, καθιστώντας τα ιδανικό φορέα για DNA/RNA παράδοση, καθώς και τη παράδοση γονιδίων [Subinoy et al., 2012; Vigderman & Zubarev, 2012]. Η αποτελεσματική μεταφορά και παράδοση φαρμάκων και βιολογικών μορίων σε διάφορους κυτταρικούς τύπους επίσης, δείχνει ότι τα AuNPs, είναι μια πολλά υποσχόμενη λύση [Subinoy et al., 2012]. Σε αυτή την περίπτωση, σημαντικό προβάδισμα ως φορείς παράδοσης σε πυρηνικούς στόχους, δίνει η δυνατότητά τους να εισέρχονται εύκολα στους πυρήνες των κυττάρων [Gu et al., 2009]. Μια άλλη σημαντική ιδιότητα, είναι ισχυρή απορρόφηση και σκέδαση ακτινοβολίας, η οποία καθιστά τα AuNPs ιδανικά εργαλεία σε συσκευές διάγνωσης [Shukla et al., 2005; Gu et al., 2009]. Αυτή η ιδιότητα, δίνει τη δυνατότητα στα AuNPs να απορροφούν ακτινοβολία και να την απελευθερώνουν ως τοπική θέρμανση σε ιστούς, ή να την χρησιμοποιούν για τη τοπική απελευθέρωση μιας θεραπευτικής ουσίας [Lasagna-Reeves et al., 2010]. Βάση αυτής της ιδιότητας οι [Kogan et al., 2006], χρησιμοποίησαν AuNPs για την απομακρυσμένη αφαίρεση αποθέσεων βαμυλοειδούς (πρωτεΐνη που συσσωρεύεται στον εγκέφαλο προκαλώντας τη νόσο Alzheimer), με την απελευθέρωση τοπικής θερμότητας που ακτινοβολήθηκε στα νανοσωματίδια με ασθενή μικροκύματα. Με τον τρόπο αυτό, η χρήση AuNPs μπορεί να επιβραδύνει ή να σταματήσει την εξέλιξη της νόσου και να θεωρηθεί ως ένα είδος μοριακής χειρουργικής επέμβασης [Lasagna-Reeves et al., 2010]. Όμοια, οι Eck et al., [2008] έδειξαν ότι οι βιοσυνδέτες 15 nm διαμέτρου και σφαιρικού σχήματος AuNPs αντισώματος (στην έρευνα αυτή η σύνδεση έγινε με παγκρεατικό καρκινικό ιστό), πλεονεκτούν έναντι άλλων νανοσωματιδίων, χάρη στις εξαιρετικές ιδιότητες, όπως εξαιρετική σταθερή διασπορά, υψηλή και μακροχρόνια αντοχή, απορρόφηση και σκέδαση ακτινοβολίας, καθώς και άριστη ανίχνευση μετά από παρατήρηση με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, δυναμική σκέδαση φωτός κι άλλες συσκευές διάγνωσης. Σε έρευνα των Vigderman & Zubarev [2012], αποδείχτηκε ότι τα AuNPs είναι ικανά για την απελευθέρωση DNA. Σε αυτή την έρευνα διοχετεύτηκε ακτινοβολία λέιζερ στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων, σε κατάλληλη συχνότητα ώστε να προκληθούν φωτοθερμικές επιδράσεις, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση του DNA που συνδέεται ομοιοπολικά με τα AuNPs. Όμοια με αυτή την έρευνα, οι Chen Chia-Chun et al. [2006], έδειξαν ότι τα AuNPs έχουν την δυνατότητα να απελευθερώσουν μέχρι και 80% των μορίων DNA που είναι ομοιοπολικά δεσμευμένα με τα νανοσωματίδια. Στην έρευνα αυτή χρησιμοποιήθηκαν AuNPs σχήματος νανοράβδων και προκάλεσαν την απελευθέρωσης μιας θειολωμένης Ενισχυμένης Πράσινης Φθορίζουσας Πρωτεΐνης (EGFP) DNA, με ταυτόχρονη απελευθέρωση DNA. 37

39 4.4 Η Τροποποίηση της Επιφάνειας των AuNPs Στις περισσότερες περιπτώσεις, η σύνθεση των AuNPs συνήθως πραγματοποιείται in Situ (επί τόπου) σε οργανικές και ανόργανες μήτρες, με διασπορά, εναπόθεση ή εμβάπτιση [Μεριστούδη, 2009]. Κατά τη σύνθεση των νανοσωματιδίων, πραγματοποιούνται διάφορες τεχνικές Εικόνα 4.3 Τροποποίηση AuNPs και σύνδεση με φάρμακα ή βιομόρια ελέγχου του μεγέθους, του σχήματος και άλλων ιδιοτήτων. Παράλληλα, χρησιμοποιούνται και διάφοροι τροποποιητές, οι οποίοι δρουν ως ενεργά στοιχεία για την αυτό-οργάνωση και τον προσανατολισμό των AuNPs, δίνοντάς τους επίσης τις τελικές οπτικές, ηλεκτρικές και άλλες ιδιότητες τους [Shukla et al., 2005; Μεριστούδη, 2009]. Οι τροποποιητές αποτελούν την ιδιότητα με την μεγαλύτερη σημασία στην περίπτωση των AuNPs, αφού σχεδόν αποκλειστικά, από αυτούς εξαρτάται η δράση, η συμπεριφορά και η τοξικότητα τους [Pan Yu et al., 2009; Lei Cui et al., 2012]. Υπάρχουν διαφόρων ειδών τροποποιητές. Κάποιοι χρησιμοποιούνται για να επιτευχθεί η σταθερότητα των AuNPs, αποτρέποντας την συσσωμάτωση. Άλλοι τροποποιητές χρησιμοποιούνται για να ελεγχθεί η βιοκατανομή των AuNPs, σε διάφορα μέρη ενός οργανισμού. Για παράδειγμα, τροποποιητές που καθιστούν την επιφάνεια των AuNPs θετικά φορτισμένη, οδηγούν σε βιοσυσσώρευση στα νεφρά, ενώ αρνητικά φορτισμένη επιφάνεια, οδηγεί σε μεγαλύτερη βιοσυσσώρευση στο ήπαρ [Hirn et al., 2011]. Η κυτταρική πρόσληψη, η ενδοκυτταρική απελευθέρωση, και η κάθαρση από το σώμα, εξαρτώνται επίσης από τις επιφανειοδραστικές ιδιότητες που προσδίδουν οι τροποποιητές στα AuNPs. Παράδειγμα κατιονικές επιφάνειες AuNPs, προκαλούν υψηλότερη κυτταρική πρόσληψη, υψηλότερη τοξικότητα και υψηλότερο ρυθμό νεφρικής κάθαρσης απ ότι ανιονικές επιφάνειες [Wenjuan Cui et al., 2012; Yu Pan Yu et al., 2012]. Τέλος, η υδροφιλικότητα και η προσρόφηση που μπορεί να έχουν τα AuNPs σε ένα σώμα, είναι αποτέλεσμα των τροποποιητών επιφανείας τους [Wenjuan Cui et al., 2012]. Η τροποποίηση της επιφάνειας των AuNPs με διάφορα βιομόρια, συμβάλει στην αποτελεσματική μεταφορά και παράδοση τους σε περιοχές με την ελάχιστη τοξικότητα [Subinoy et al., 2012]. Γίνεται φανερό λοιπόν, ότι η τροποποίηση της επιφανείας, και το είδος των τροποποιητών που θα χρησιμοποιηθεί, είναι ζωτικής σημασίας στον έλεγχο των ιδιοτήτων των AuNPs. 4.5 Η Τοξικότητα των AuNPs Πολλές έρευνες έχουν πραγματοποιηθεί, με θέμα την έκθεση διαφόρων τύπων οργανισμών σε AuNPs και τις τοξικές επιδράσεις, που δύναται να προκληθούν από αυτή την αλληλεπίδραση. Οι έρευνες αυτές, ανάλογα με τρόπο που πραγματοποιούνται τα πειράματα, χωρίζονται στις κατηγορίες in vitro και in vivo. Στις in vitro έρευνες, τα πειράματα πραγματοποιούνται σε μεμονωμένα όργανα ή κυτταρικές γραμμές ενός οργανισμού, που έχουν τοποθετηθεί σε δοκιμαστικούς σωλήνες και ελέγχονται αυστηρά οι περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτή η κατηγορία πειραμάτων, προσφέρεται για την εύκολη και γρήγορη εξαγωγή δεδομένων, για την αξιολόγηση της τοξικότητας διαφόρων στοιχείων. Ωστόσο δεν δύναται να 38

40 αξιολογήσει τις επιδράσεις που δύναται να προκληθούν από τα στοιχεία αυτά, σε πολύπλοκους οργανισμούς όπως στους ανθρώπους. Αντίθετα στις in vivo έρευνες, τα πειράματα πραγματοποιούνται στο σύνολο του οργανισμού εν ζωή και μπορούν να προσφέρουν σημαντικά δεδομένα, για την τοξικότητα των στοιχείων στους πολύπλοκους οργανισμούς. Ωστόσο η εφαρμογής τους είναι εξαιρετικά δύσκολη Μελέτες τοξικότητας σε κυτταρικές γραμμές (in vitro) Η αξιολόγηση των AuNPs, έχει πραγματοποιηθεί από πολλές ομάδες, οι οποίες έχουν αποδείξει τη μη τοξική συμπεριφορά τους και την ικανότητά εφαρμογή τους, σε διάφορες νανοανοσολογικές, νανοϊατρικές και νανοβιολογικές εφαρμογές [Chitta et al., 2010]. Οι Shukla et al. [2005], χρησιμοποίησαν AuNPs μέσου μεγέθους 3.5 nm, σε συγκεντρώσεις 10, 25, 50 και 100 μμ και τροποποιητή επιφάνειας PLL (πολύ-lλυσίνη), ώστε να παρατηρήσουν τις τοξικές επιδράσεις πάνω στα μακροφάγα κύτταρα RAW264.7 (κύρια δραστικά κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος, που διαδραματίζοντας ουσιαστικό ρόλο ως εκκριτικά, φαγοκυτταρικά και αντιγόνα κύτταρα). Τα πειράματα τους, αν και πραγματοποιήθηκαν με διάφορες φυσικοχημικές τεχνικές που έχουν συσχετιστεί με κυτταροτοξικότητα, δεν έδειξαν καμία τοξικότητα, παρά μόνο αμελητέα αποτελέσματα στην μεγαλύτερη συγκέντρωση των 10 μμ (βιωσιμότητα 85-98%). Ο χρόνος επώασης κυμάνθηκε από 28 έως 72 ώρες. Στην έρευνα τους επίσης, παρατήρησαν μια μείωση των επιπέδων ROS (αντιδραστικά είδη οξυγόνου) και RNS (αντιδραστικά είδη νιτρωδών). Η μείωση αυτή, αν και δεν είναι γνωστός ο ακριβής μηχανισμός της, θεωρήθηκε ότι οφείλεται σε διάφορα οξειδοαναγωγικά συστήματα, όπως κατά την παρεμπόδιση από τα AuNPs, των λυσοσωμικών ενζύμων, που εμπλέκονται στην επεξεργασία αποικοδόμησης των αντιγόνων σε πεπτίδια κ.ά.. Οι Connor et al. [2005], δεν παρατήρησαν καμία επίσης τοξική επίδραση, όταν δοκίμασαν να εκθέσουν σε AuNPs μεγέθους 4, 12 και 14 nm, με επιφανειακούς τροποποιητές κιτρικού, βιοτίνης και CTAB (κετυλοαιθυλεμμώνιο), σε κυτταρικές γραμμές Κ562 (κύτταρα λευχαιμίας). Σε αυτή την έρευνα, θέλησαν να παρατηρήσουν την επίδραση στη κυτταροτοξικότητα, των διαφορετικών τροποποιητών επιφάνειας και του μεγέθους των NPs. Οι συγκεντρώσεις που χρησιμοποίησαν ήταν μέχρι και 25 μm και η έκθεση διήρκησε για 3 μέρες. Σε μια άλλη έρευνα, οι Chithrani et al. [2006], χρησιμοποίησαν AuNPs σε μεγέθη 14, 30, 50, 74 και 100 nm, με τροποποιητές κιτρικού και CTAB, για την παρατήρηση της αλληλεπίδρασης με βακτήρια Escherichia Coli και κύτταρα HeLa. Τα κύτταρα αυτά ονομάζονται HeLa, από τα αρχικά του ονόματος Henrietta Lacks, της πρώτης ασθενούς με καρκίνο του τραχήλου της μήτρας κατά τις αρχές της δεκαετίας του Τα κύτταρα αυτά θεωρούνται αθάνατα, διότι με την κατάλληλη καλλιέργεια πολλαπλασιάζονται συνεχώς και δεν καταστρέφονται σχεδόν ποτέ, φτάνοντας τα τρισεκατομμύρια μέχρι σήμερα [Κιούρκτση, 2011]. Στην έρευνά τους δεν παρατήρησαν σχεδόν καμία τοξικότητα (βιωσιμότητα > 98%), σε καμία από τις περιπτώσεις μεγέθους και τροποποίησης. Όμοια αποτελέσματα είχαν και οι Wenjuan Cui et al. [2012], με χρήση επίσης κυττάρων HeLa και βακτήρια Escherichia Coli (ATCC25404 Gram(-)), μετά από την έκθεσή τους σε AuNPs μέσου μεγέθους 2.3, 10.2 και 25.3 nm, σε συγκεντρώσεις , 5.06 και 79.1 μg/lt αντίστοιχα. Η έκθεση πραγματοποιήθηκε για 24, 36 και 48 ώρες και δεν χρησιμοποιήθηκε τροποποιητής επιφανείας, παρά μόνο στην περίπτωση των 25.3 nm AuNPs που χρησιμοποιήθηκε PVP (πολυμερές). Η βιωσιμότητα των κυττάρων ήταν πάνω από 90% στα 2.3 και 10.2 nm AuNPs και περίπου 70% στα τροποποιημένα AuNPs-PVP. Η μικρή τοξικότητα 39

41 των AuNPs-PVP (30%), θεωρήθηκε ότι οφείλεται στην ενδοκυττάρωση των AuNPs εξαιτίας του επιφανειακού τροποποιητή PVP που συνδέεται με διάφορα βιολογικά μόρια του μέσου καλλιέργειας. Στην Εικόνα 4.4, παρουσιάζονται οι μηχανισμοί κατά την ενδοκυττάρωση AuNPs και την αύξηση της ανάπτυξης στην περίπτωση των «γυμνών» AuNPs. Εικόνα 4.4 Απεικόνιση των μηχανισμών κυτταροτοξικότητας και ανάπτυξης κυττάρων HeLa σε συν-καλλιέργειας AuNPs και AuNPs-PVP [Wenjuan Cui et al., 2012] Άλλη έρευνα με χρήση κυττάρων HeLa, που έδειξε ελάχιστη, σχεδόν αμελητέα τοξικότητα των AuNPs, ήταν των Yan-Juan Gu et al., [2009]. Αυτοί χρησιμοποίησαν AuNPs μέσου μεγέθους 3.7 nm και επιφανειακό τροποποιητή MPA-PEG (3μερκαπτοπροπιονικό οξύ-αιθυλενογλυκόλη), σε συγκεντρώσεις 0.08 έως 10 μm. Η βιωσιμότητα των κυττάρων που παρατηρήθηκε ήταν πάνω από 85% στις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις και 70% στις μεγαλύτερες και σε έκθεση πάνω από 72 ώρες. Οι Diegoli et al., [2008], μελέτησαν την επίδραση των AuNPs nm, με τροποποιητή κιτρικού, σε SRHA (Suwannee River Humic Acid Standard ένα σύνολο παραποτάμιων χουμικών ενώσεων και άλλων φυσικών μακρομορίων). Καμιά τοξική επίδραση δεν παρατηρήθηκε επίσης και σε αυτή την έρευνα. Καθώς όμως το μέγεθος των AuNPs που χρησιμοποιούνται σε έρευνες τοξικότητας μειώνεται, παρατηρούνται όλο και περισσότερες τοξικές επιδράσεις. Για παράδειγμα, στην έρευνα των Pan Yu et al., [2007], με χρήση AuNPs σε μεγέθη από 0.8 έως 15 nm και τροποποιητή επιφάνειας TPPMS (3-σουλφονωμένη τριφαινυλοφωσφίνη), παρατηρήθηκαν τοξικές επιδράσεις σε διάφορες κυτταρικές γραμμές, στα AuNPs με μεγέθη από 1 έως 2 nm. Στην έρευνα αυτή χρησιμοποιήθηκαν κυτταρικές γραμμές L929 (ινωδοβλάστες συνδετικών ιστών), HeLa, J774A1 (μακροφάγα κύτταρα) και SK-Mel-28 (κύτταρα μελανώματος). Καθώς λοιπόν στα μεγάλα μεγέθη δεν παρατηρήθηκε καμία τοξικότητα (ακόμη και σε συγκέντρωση 6300 μμ), στα μικρά μεγέθη όπως αναφέρθηκε παραπάνω, παρατηρήθηκε τοξικότητα σε όλες τις κυτταρικές γραμμές με EC50 μεταξύ 36 και 56 μμ. Με αφορμή αυτά τα ευρήματα, στην έρευνα των Pan Yu et al., [2009], χρησιμοποιήθηκαν AuNPs μέσου μεγέθους 1.1 nm με τροποποιητή GSH (γλουταθειόνη) και AuNPs μέσου μεγέθους 1.4 και 15 nm με τροποποιητή TPPMS, έναντι κυττάρων HeLa. Οι συγκεντρώσεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν 100 έως 400 μμ για τα AuNPs-GSH 1.1 nm και AuNPsTPPMS 15 nm και 100 μm για τα AuNPs-TPPMS 1.4 nm. Τοξικότητα παρατηρήθηκε 40

42 στις περιπτώσεις των 1.1 AuNPs-GSH και 1.4 nm AuNPs-TPPMS με EC μm και 48 μμ αντίστοιχα. Η τοξικότητα θεωρήθηκε ότι οφείλεται στα υψηλά ποσοστά των επιπέδων ROS που προκλήθηκαν από τα NPs, τα οποία προκάλεσαν νέκρωση (ταχύς θάνατος κυττάρων), στην περίπτωση των AuNPs-GSH 1.1 nm και απόπτωση (προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο) στη περίπτωση των AuNPs-TPPMS 1.4 nm. Η διαφορά αυτή θεωρήθηκε ότι οφείλεται στη διαφορετική αλληλεπίδραση των επιφανειακών τροποποιητών με τα συστατικά των κυττάρων. Στην περίπτωση των AuNPs-TPPMS 15 nm, δεν παρατηρήθηκε καμία απολύτως τοξικότητα, επιβεβαιώνοντας τα ευρήματα της προηγούμενης έρευνας και καταλήγοντας στο συμπέρασμα, ότι η τοξικότητα των AuNPs είναι εξαρτώμενη από το μέγεθος. Στην έρευνα των Lei Cui et al. [2012], χρησιμοποιήθηκαν AuNPs μέσου μεγέθους 2.7 nm, με τροποποιητή τιοπρονίνης (TP), σε συγκεντρώσεις 0.1 έως 0.5 μg/lt, για τον προσδιορισμό της κυτταροτοξικότητα σε κύτταρα L929, H520 (καρκινικά πνευμονικά κύτταρα), MCF-7 (καρκινικά κύτταρα του μαστού) και κύτταρα HeLa. Οι ερευνητές παρατήρησαν μεγάλη τοξικότητα (βιωσιμότητα 75%, 75%, 60% και 20% αντίστοιχα). η τοξικότητα αποδόθηκε στην μεγάλη αύξηση των επιπέδων ROS, που παρατηρήθηκαν επίσης. Από την έρευνα αυτή, συμπεραίνεται επίσης, ότι η τοξικότητα, σχετίζεται και με το είδος των οργανισμών που χρησιμοποιούνται. Στην έρευνα των Paino et al., [2012], μελετήθηκαν τα AuNPs μεγέθους 7-20 nm, με τροποποιητές επιφάνειας κιτρικό και PANAM (δενδριμερή πολυαμιδοαμίνης), σε συγκεντρώσεις 1 έως 50 M, έναντι των κυττάρων HerG2 (ανθρώπινα ηπατικά καρκινικά κύτταρα) και PBMC (κύτταρα περιφερικού αίματος). Οι ερευνητές, παρατήρησαν κυτταροτοξικότητα σε όλες τις περιπτώσεις. Η κυτταροτοξικότητα παρατηρήθηκε παράλληλα με μεγάλη αύξηση των επιπέδων ROS και RNS (αντιδραστικά είδη νιτρωδών), και βλάβες στο DNA, υποδεικνύοντας την πιθανότητα εισαγωγής των NPs στον πυρήνα των κυττάρων. Η βιωσιμότητα που παρατηρήθηκε ήταν 60% στις περιπτώσεις των HepG2 με κιτρικό και PANAM τροποποιητή και 49% και 51% στις περιπτώσεις των PBMC με κιτρικό και PANAM αντίστοιχα. και σε αυτή την έρευνα η τοξικότητα αποδόθηκε στα επίπεδα ROS, αιτία των οποίων θεωρήθηκαν οι επιφανειακοί τροποποιητές. Η επίδραση του κιτρικού επιφανειακού τροποποιητή επίσης, φάνηκε να επηρεάζει τα επίπεδα ROS και στην έρευνα των Farkas et al., [2010], στην οποία χρησιμοποιήθηκαν AuNPs μεγέθους 1-10 nm, σε συγκεντρώσεις έως 17.4 μg/lt, έναντι ηπατοκυττάρων του ψαριού Oncorhynchus mykiss (είδος ιριδίζουσας πέστροφας). Στην έρευνα αυτή, αν και δεν παρατηρήθηκαν τοξικές επιδράσεις (βιωσιμότητα σχεδόν 100%), όταν μελετήθηκαν οι επιδράσεις σε διαλύματα υψηλής ιοντικής ισχύος με Au, Au+3 και Au με 10 mg/lt διαλυμένο οργανικό άνθρακα (DOC), παρατηρήθηκε αύξηση των επιπέδων ROS και ως εκ τούτου μια πολύ μικρή κυτταροτοξικότητα στις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις Μελέτες τοξικότητας σε θηλαστικά (in vivo) In vivo έρευνες τοξικότητας έχουν επίσης πραγματοποιηθεί με AuNPs. Η έρευνα των Tedesco Sara et al. [2010], είναι μια in vivo έρευνα, με έκθεση του οργανισμού Mytilus edulis, σε AuNPs μέσης διαμέτρου 5.3 nm, σε συγκέντρωση 0.75 μg/lt. Ο οργανισμός Mytilus edulis ή αλλιώς μπλε μύδι, είναι ένας παλιρροιακός οργανισμός "φίλτρο", ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως σε νανοτοξικολογικές μελέτες, εξαιτίας της μεγάλης ευαισθησίας, ακόμη και σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις τοξικών στοιχείων. Στην έρευνα αυτή, παρατηρήθηκαν τοξικές επιδράσεις, μειώνοντας τη σταθερότητα της λυσοσωμικής μεμβράνης των κυττάρων της αιμολέμφου, οι οποίες 41

43 αποδόθηκαν στην αύξηση των επιπέδων ROS, υποδεικνύοντας άλλη μια φορά τον ρόλο των ROS στη τοξικότητα των AuNPs. Στην έρευνα των Jin-Fen Pan et al., [2012], χρησιμοποιήθηκαν AuNPs μεγέθους 5, 15 και 40 nm, σε συγκέντρωση 100 μg/lt, για την έκθεση του οργανισμού Tellinid Scrobicularia plana (αχιβάδα, βενθικός οργανισμός με ουσιαστικό ρόλο στις εκβολές των ποταμών, για τη σωστή λειτουργία αυτών, μέσω της συνεισφοράς τους στα τροφικά δίκτυα, τους βιοχημικούς κύκλους των θρεπτικών και προσμίξεων, καθώς και στην αναμόρφωση των εδαφών και των ιζημάτων των περιοχών). Καμία τοξικότητα δεν παρατηρήθηκε σε αυτή την έρευνα, αν και συνέβη σημαντική συσσώρευση στους μαλακούς ιστούς του οργανισμού. Οι Bar-Ilan et al., [2009], χρησιμοποίησαν AuNPs μεγέθους 3, 10, 50 και 100 nm, σε συγκεντρώσεις 250 μμ, με επιφανειακό τροποποιητή TPPMS. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε για την αξιολόγηση αυτών των νανοσωματιδίων σε έμβρυα ψαριών Zebrafish (Danio rerio), των οποίων το γονιδίωμα είναι σε μεγάλο βαθμό όμοιο με των ανθρώπων. Καμία τοξικότητα δεν παρατηρήθηκε σε αυτή την περίπτωση, με την βιωσιμότητα να είναι σχεδόν 100%. Η έρευνα των Lasagna-Reeves et al. [2010], δεν παρείχε καμία απολύτως απόδειξη τοξικότητας καθώς η βιωσιμότητα των οργανισμών ήταν 100%. Στην έρευνα αυτή χρησιμοποιήθηκαν ποντίκια, που εκτέθηκαν σε AuNPs μέσου μεγέθους 12.4, με τροποποιητή κιτρικού, σε συγκεντρώσεις 40, 200 και 400 μg/kg σώματος/day, για 8 μέρες. Για την τοξικότητα, παρατηρήθηκε η επιβίωση, η ανάπτυξη, το βάρος, η συμπεριφορά, η μορφολογία των οργάνων και ιστών, καθώς και η βιοχημεία του αίματος. Όμοια αποτελέσματα είχε και η έρευνα των Hirn et al. [2011], σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε θηλυκούς αρουραίους. Στην έρευνα αυτή έγινε χρήση AuNPs σε μεγέθη 1.4, 5, 18, 80 και 200 nm, με επιφανειακό τροποποιητή TPPMS καθώς και AuNPs μέσου μεγέθους 2.8 nm και επιφανειακούς τροποποιητές CY (κυστεαμίνης) και TGA (θειογλυκολικό οξύ), για την μελέτη της επίδρασης του φορτίου επιφανείας που ήταν θετικό και αρνητικό αντίστοιχα. σε καμία από τις περιπτώσεις δεν παρατηρήθηκε κυτταροτοξικότητα, πάρα μόνο στη περίπτωση των 1.4 nm NPs, υποδεικνύοντας για άλλη μια φορά την επίδραση του μεγέθους, στην τοξικότητα των AuNPs. Ωστόσο σε αυτή την έρευνα, ενδιαφέρον παρουσίασε η βιοσυσσώρευση σε διαφορετικά όργανα, ανάλογα με το μέγεθος και τον τροποποιητή επιφάνειας. Οι Cho et al., [2009], μελέτησαν επίσης τις επιδράσεις των AuNPs σε ποντίκια. Συγκεκριμένα σε αυτή την έρευνα, τα ποντίκια χορηγήθηκαν με AuNPs μέσου μεγέθους 13 nm, τροποποιημένα με PEG σε συγκεντρώσεις 0.17, 0.85 και 4.26 mg/kg σώματος/day, για 7 μέρες. Ωστόσο, ομάδες ποντικιών, θανατώθηκαν 5 και 30 λεπτά μετά τη χορήγηση, 4 και 24 ώρες μετά, καθώς και μετά 7 μέρες. Τοξικότητα παρατηρήθηκε από τα πρώτα κιόλας λεπτά μετά την χορήγηση στις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις των 0.85 και 4.26 mg/kg σώματος/day. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε οξεία φλεγμονή στο ήπαρ μετά τα 5 λεπτά της έκθεσης η οποία αυξήθηκε σημαντικά στις 7 μέρες, στις μεγάλες συγκεντρώσεις. Η φλεγμονή θεωρήθηκε ως αποτέλεσμα των μηχανισμών άμυνας των ποντικιών προς τους ξενιστές. Μεγάλο ρόλο επίσης στη πρόκληση της φλεγμονής, έπαιξαν τα κύτταρα Kapffer (μακροφάγα κύτταρα του ήπατος). Επίσης, παρουσιάστηκε μια αύξηση κατά 10% των αποπτωτικών κυττάρων στο ήπαρ και στη σπλήνα, η οποία ήταν εξαρτώμενη από τη δόση. Τα AuNPs εντοπίστηκαν στα λυσοσώματα και τα κυστίδια, στο εσωτερικό των μακροφάγων κυττάρων Kapffer, πράγμα το οποίο ευθύνεται για την διανομή των AuNPs σε άλλα όργανα που περιέχουν μακροφάγα κύτταρα, όπως στην περίπτωση της σπλήνας. 42

44 Άλλη έρευνα με έκθεση ποντικιών σε AuNPs, ήταν των Simpson et al., [2012]. Οι συγκεκριμένοι, χορήγησαν υποδόρια, αρκετά μικρά AuNPs, μέσου μεγέθους 1.2 nm, τροποποιημένα με GSH, σε συγκεντρώσεις 10, 20, 30, 40, 50 και 60 μm. Παρατήρησαν ότι τα AuNPs-GSH, δεν προκάλεσαν καμία τοξικότητα σε καμιά από τις συγκεντρώσεις, ακόμη και 6 εβδομάδες μετά την χορήγηση (βιωσιμότητα 100%), συνιστώντας αυτού του είδους σύμπλοκα NPs, για την θεραπευτικές εφαρμογές. Οι ερευνητές, σύγκριναν επίσης τα ευρήματα τους, με τα τροποποιημένα με τιοπρονίνη (TP) και αιθυλενογλυκόλη (PEG) AuNPs, όπου τα πρώτα δύναται να προκαλέσουν νεφρικές επιπλοκές, ενώ τα δεύτερα, αν και δεν εσωτερικεύονται αποτελεσματικά στα κύτταρα, δύναται να αντιδράσουν με τα βιολογικά μόρια του κυττάρου. Έτσι με τα AuNPs-GSH, κατάφεραν να ξεπεράσουν όλους τους προηγούμενους περιορισμούς. Επίσης, την ικανότητα των AuNPs-GSH για κλινικές εφαρμογές, αυξάνει και ο μικρός χρόνος παραμονής των NPs στο αίμα και στο σώμα των ποντικιών. Παρατηρήθηκε ότι το 30% των NPs απομακρυνόταν μέσω του νεφρικού συστήματος σε διάστημα μιας ώρας, ενώ μετά από 8 ώρες, είχε απομακρυνθεί το 60%. Η συγκέντρωση των NPs στο αίμα, ήταν εξαρτώμενη από τη δόση και η πλήρης κάθαρση, πραγματοποιούταν μέσα σε 1 εβδομάδα. Οι Vacchio et al., [2012(1)], μελέτησαν την επίδραση των AuNPs, εκθέτοντας οργανισμούς του είδους Drosophila melanogaster, σε AuNPs μεγέθους 5, 15, 40 και 80 nm, με τροποποιητή κιτρικού και σε συγκεντρώσεις έως 467 mg/gr σώματος οργανισμού. Η έρευνα αυτή, πραγματοποιήθηκε σε δυο στάδια. Κατά το πρώτο μελετήθηκε η επίδραση συγκέντρωση των AuNPs, διατηρώντας σταθερό το συνολικό εμβαδόν της επιφάνειας των διαφορετικών μεγεθών, ενώ στην δεύτερη, μελετήθηκε η επίδραση των μεγεθών των AuNPs, διατηρώντας σταθερή τη συγκέντρωση. Οι ερευνητές, παρατήρησαν τοξικές επιδράσεις των AuNPs, εξαρτώμενες από τη συγκέντρωση και ανεξάρτητες από το μέγεθος των AuNPs. Οι τοξικές επιδράσεις, ήταν κυρίως η μείωση του χρόνου ζωής των οργανισμών, μείωση της απόδοσης γονιμότητας, βλάβη και κατακερματισμός του DNA, σημαντική μετάλλαξη των γονιδίων και απόπτωση κυττάρων. Οι τοξικές επιδράσεις συνοδεύτηκαν από την αύξηση των επιπέδων ROS κυρίως στα μικρά μεγέθη, στα οποία οφείλονται και οι τοξικές επιδράσεις. Αν και ο ακριβής μηχανισμός επαγωγής των ROS, εξακολουθεί να παραμένει άγνωστος, οι ερευνητές στην έρευνα αυτή, θεώρησαν ως πιθανή αιτία, την αλληλεπίδραση των διαφόρων χημικών συνθέσεων των NPs με τα μιτοχόνδρια, τα οποία είναι οργανίδια οξειδοαναγωγικώς ενεργά, προκαλώντας παρέμβαση στο βιολογικό μηχανισμό αντιοξειδωτικής άμυνας. Οι ίδιοι ερευνητές σε μια άλλη τους έρευνα, χρησιμοποίησαν AuNPs μέσου μεγέθους 15 nm, με τροποποιητή κιτρικού, σε συγκέντρωση 3 μg/kg σώματος οργανισμούς, για να μελετήσουν τις τοξικές επιδράσεις στο ίδιο είδος οργανισμού, καθώς και την κληρονομικότητα των επιδράσεων στις επόμενες δυο γενιές. Η έρευνα αυτή λοιπόν, έδειξε μεταλλαξιογόνες τοξικές επιδράσεις στους οργανισμούς και μετάδοση του φιανότυπου αυτών, στις επόμενες 2 γενεές. Ως επιδράσεις, παρατηρήθηκαν η μείωση κατά 60% του αριθμού των αυγών, μείωση κατά 10% των ενήλικων ατόμων (λόγω θανατηφόρων μεταλλάξεων), βλάβες στο DNA των οργανισμών, περίπου 10% απόπτωση κυττάρων, σοβαρές παραμορφώσεις και εξασθενημένα μέρη του σώματος, καθώς και ανωμαλίες στον φαινότυπο όπως παραμορφώσεις πτερυγίων, δυσπλασίες ματιών, παρουσία ανώμαλων εξωγενών δομών κ.ά.. Ενδιαφέρον, αποτελεί το γεγονός ότι τα εκτεθειμένα ζώα είχαν κανονικό φαινότυπο άγριου τύπου και ένα μικρό μόνο ποσοστό παρέκλινε από αυτό, ενώ το 50% περίπου των απογόνων είχε μεταλλαγμένο φαινότυπο. Και σε 43

45 αυτή την περίπτωση, η τοξικότητα των AuNPs, αποδόθηκε στα αυξημένα επίπεδα ROS, όπου παρατηρήθηκαν παράλληλα με την τοξικότητα [Vacchio et al., 2012] Μελέτες τοξικότητας σε φυτικούς οργανισμούς (in vivo) Άλλες περιπτώσεις in vivo τοξικολογικών ερευνών, είναι η αξιολόγηση της τοξικότητας των NPs, σε ζωντανούς φυτικούς οργανισμούς. Η έρευνα των Glenn et al., [2012], πραγματοποίησε in vivo τοξικολογικές μελέτες πάνω στα υδρόβια μακρόφυτα Azolla caroliniana, Myriophyllum simulans και Eferia desna. Στην έρευνα αυτή, AuNPs μέσου μεγέθους 4 και 18 nm, διαχύθηκαν στη στήλη ύδατος, όπου βρίσκονταν οι ρίζες των φυτών, σε μια συγκέντρωση 250 μg/lt. Η έγχυση στη στήλη ύδατος πραγματοποιήθηκε, ώστε να απορροφηθούν τα AuNPs από τις ρίζες των υδρόβιων φυτών, όπως στη περίπτωση πρόσληψης των θρεπτικών τους συστατικών, κάτι που τελικώς επιτεύχθηκε. Παρατηρήθηκε λοιπόν, ότι στις ρίζες του φυτού A. caroliniana, προσροφήθηκαν των 4 και 18 nm AuNPs, στις ρίζες του M. Simulans προσροφήθηκαν μόνο των 4 nm AuNPs, ενώ στις ρίζες του E. Desna δεν προσροφήθηκε κανένα από τα AuNPs. Τα ευρήματα αυτά, υποδεικνύουν την εξαρτώμενη από το μέγεθος των AuNPs και από το είδος του φυτού προσρόφηση, η οποία μπορεί να οφείλεται στις διαφορές ανοχής ή αλατότητας του κάθε είδους. Οι φυτικοί οργανισμοί, περιέχουν πολύπλοκα κυτταρικά τοιχώματα, για την προστασία από κυτταρικές βλάβες και παθογόνους οργανισμούς. Ωστόσο υπάρχουν μικροί πόροι, για την είσοδο των θρεπτικών, από τους οποίους δύναται να διαπεράσουν επίσης μικρών μεγεθών AuNPs. Τελικώς, καμία τοξικότητα δεν παρατηρήθηκε στην ανάπτυξη ή στη μάζα των φυτών από την προσρόφηση των AuNPs σε αυτά Η βιοσυσσώρευση των AuNPs Στην έρευνα των Shukla et al. [2005] με AuNPs-PLL, συσσώρευση παρατηρήθηκε στον πυρήνα των μακροφάγων κυττάρων, στα κενοτόπια, τα λυσοσώματα, τα ενδοσώματα καθώς και διεσπαρμένα στο κυτταρόπλασμα. Όμοια βιοσυσσώρευση παρατηρήθηκε και στην περίπτωση των κυττάρων HeLa, όπου τα AuNPs εντοπίστηκαν με τη μέθοδο FICT (επικάλυψη με ισοθειοκυανική φλουρορεσκεΐνη, για τον εύκολο εντοπισμό των κυττάρων με συνεστιακή μικροσκοπία), στο κυτταρόπλασμα και στα κυστίδια του κυττάρου [Yan Juan Gu et al., 2009]. Σε έρευνα των Lasagna-Reeves et al. [2010], η δοσο-εξαρτώμενη βιοσυσσώρευση των AuNPs εμφανίστηκε, με τελικά ποσοστά 7.5% στου πνεύμονες, 6% στον εγκέφαλο (53466 NPs στα 40 μg/kg/day, NPs στα 200 μg/kg/day και NPs στα 400 μg/kg/day), 3% στο ήπαρ, 2% στα νεφρά και 1% στην σπλήνα. Παρ όλα αυτά, δεν παρατηρήθηκε καμία τοξική επίδραση. Οι Chithrani B. Devika et al., [2006], παρατήρησαν επίσης, μη κυτταροτοξικά αποτελέσματα, ενώ τα AuNPs βιοσυσσωρεύτηκαν αποτελεσματικά στο εσωτερικό των κυττάρων, κατά 3000 NPs στα 14 nm, 2988 NPs στα 74 nm και 6160 NPs στα 50 nm, υποδεικνύοντας ότι το μέγεθος των 50 nm είναι το ιδανικότερο μέγεθος για την εσωτερίκευση των AuNPs στα κύτταρα. Στην έρευνα των Hirn et al. [2011], παρατηρήθηκε βιοσυσσώρευση εξαρτώμενη από το μέγεθος και από το είδος του επιφανειακού τροποποιητή. Συγκεκριμένα, στην περίπτωση της έκθεσης σε AuNPs-TPPMS, ενώ στα μικρά μεγέθη παρατηρήθηκε 50% συσσώρευση στο ήπαρ και 50% σε άλλα όργανα και ιστούς, όσο το μέγεθος αυξανόταν, αυξανόταν και η συσσώρευση στο ήπαρ, 44

46 φτάνοντας τελικά στο 99% έναντι του 1% στο υπόλοιπο σώμα. Παράλληλα παρατηρήθηκε σε όλα τα μεγέθη 2% βιοσυσσώρευση στη σπλήνα και αμελητέες ποσότητες από 0.06% έως 0.34% στα νεφρά, τον εγκέφαλο, τη καρδιά, τη μήτρα κ.ά.. Ένα μικρό ποσοστό (<0.1%) βρέθηκε επίσης στου αίμα. Στην περίπτωση των 2.8 nm AuNPs-CY και TGA, το 81.6% συσσωρεύτηκε στο ήπαρ και το υπόλοιπο 20% σε άλλα όργανα και ιστούς με τις μεγαλύτερες ποσότητες να είναι στη σπλήνα κατά 11.4% για τα AuNPs-CY και 8.6% για τα AuNPs-TGA. Βιοσυσσώρευση επίσης σημειώθηκε στην έρευνα των Jin-Fen Pan et al. [2012], στην αχιβάδα Tellinid Scrobicularia plana. Η συσσώρευση παρατηρήθηκε στου μαλακούς ιστούς του οργανισμού σε συγκεντρώσεις 10.5 mg/kg βάρους για τα 5 nm AuNPs, 12 mg/kg για τα 15 nm AuNPs και 17.7 mg/kg για τα 40 nm AuNPs. Όμοια και στην περίπτωση του οργανισμού Mytilus edulis, βιοσυσσώρευση παρατηρήθηκε κατά 95% στον πεπτικό αδένα και αμελητέα ποσοστά 3.9% και 1.5% στα βράγχια και υποδόρια, αντίστοιχα [Tedesco Sara et al., 2010]. Στην περίπτωση των Cho et al., [2009], παρατηρήθηκε η βιοσυσσώρευση των AuNPs στο ήπαρ και στη σπλήνα ποντικών, ως αποτέλεσμα των μακροφάγων κυττάρων που περιείχαν στο εσωτερικό τους AuNPs. Συγκεκριμένα στην δόση των 0.85 mg/kg σώματος/ημέρα, παρατηρήθηκαν ποσοστά συσσώρευση 39% στο ήπαρ και 12% στη σπλήνα, και στη δόση των 4.26 mg/kg σώματος/ ημέρα, τα αντίστοιχα ποσοστά ήταν 45% και 20%. Στην περίπτωση των Simpson et al., [2012], επίσης με έκθεση ποντικών, βιοσυσσώρευση παρατηρήθηκε σε όλους τους ιστούς, μέσα σε 24 ώρες, υποδεικνύοντας επίσης την αποτελεσματικότητα των AuNPs-GSH, ως στόχο για πνευμονικούς ιστούς. Άλλη περίπτωση με χρήση ποντικών, είναι στην έρευνα των Kawano et al., [2006], με χρήση AuNPs μέσου μεγέθους 90 nm, τροποποιημένα με PEG και προσδεμένα με μόρια DNA. Στην έρευνα αυτή, μελετήθηκε η τοξικότητα και η δυνατότητα παράδοσης του DNA στο εσωτερικό των κυττάρων των ποντικιών. Δεν παρατηρήθηκε καμία τοξικότητα και τα AuNPs-PEG-DNA, αποδείχτηκαν αρκετά σταθερά στη ροή αίματος, σε σχέση με τα AuNPs-DNA. Βέβαια, το μεγάλο μέγεθος των συγκεκριμένων AuNPs, δεν βοήθησε στην εσωτερίκευση των συμπλόκων Η συσσωμάτωση των AuNPs Στις έρευνες που αναλύθηκαν, παρατηρήθηκε πως στις περισσότερες περιπτώσεις όπου το μέσο καλλιέργειας, ήταν μεγάλης ιοντικής ισχύος, η σταθερότητα των AuNPs μειωνόταν και τα NPs συσσωματώνονταν. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την ύπαρξη μιας ποικιλίας αλάτων, αμινοξέων, βιταμινών και άλλων στοιχείων που βρίσκονται στο μέσο καλλιέργειας και προκαλεί υψηλή ιοντική μείωση της αντοχής, σε ηλεκτροστατικές απωστικές δυνάμεις μεταξύ των NPs [Paino et al., 2012]. Τα νανοσωματίδια διατηρούν την συμπεριφορά τους όταν είναι σε μικρά μεγέθη. Ωστόσο, η αλληλεπίδραση με διάφορα βιολογικά υγρά, μπορεί να προκαλέσει ομαδοποίησης και συνένωση αυτών, οδηγώντας σε τοξικές επιδράσεις [Yu Pan et al., 2012]. Σε πολλές έρευνες, παρατηρήθηκε συνένωση των NPs. Στην περίπτωση της έρευνας των Yan-Juan Gu et al. [2009], αν και τα AuNPs-MPA-PEG βρέθηκαν να είναι σταθερά στο εσωτερικό των κυττάρων, τα AuNPs-κιτρικό βρέθηκαν να συσσωματώνονται σε μεγάλα μεγέθη. Επίσης συσσωμάτωση παρατηρήθηκε στην περίπτωση των AuNPs-TP, όταν στο μέσο καλλιέργειας υπήρχαν ιόντα όπως Na+ και Cl- τα οποία δύναται να εξουδετερώνουν την επιφανειακή στοιβάδα των NPs. Αν και η απορρόφηση πρωτεϊνών στην επιφάνεια ορισμένων NPs μπορεί να αποτρέψει τη συσσωμάτωση, στην περίπτωση των AuNPs-TP, όπου συμβαίνει αποτελεσματική 45

47 επίστρωση TP (87.3% ± 0.3%) και επικρατούν ισχυροί δεσμοί θειόλων-au, θεωρείται απίθανη [Lei Cui et al., 2012]. Στην έρευνα των Pan Yσu et al. [2007], μελετήθηκε η συσσώρευση των AuNPs-TPPMS ως προς την ιοντική ισχύ του μέσου καλλιέργειας. Στην έρευνα των Jin-Fen Pan et al. [2012], επίσης παρατηρήθηκε συσσωμάτωση σε μεγέθη > 700 nm. Οι Farkas et al. [2010], μελετώντας τη συσσωμάτωση, πρόσθεσαν στα διαλύματα τους διαλυμένο οργανικό άνθρακα (DOC) και παρατήρησαν ότι μετά τη προσθήκη, τα νανοσωματίδια συσσωματώθηκαν σχεδόν αστραπιαία. Όμοια παρατηρήθηκε και στην έρευνα των Diegoli et al. [2008], με χρήση παραποτάμιων χουμικών ενώσεων (SRHA), όπου το επιφανειακό φορτίο των NPs και η χημεία επιφανείας, επηρεάστηκε. Στην Εικόνα 4.5, παρουσιάζονται οι πιθανοί μηχανισμοί συσσωμάτωσης στην περίπτωση των AuNPs-κιτρικό και στην περίπτωση πρόσθεσης στο μέσο SRHA [Diegoli et al., 2008] Εικόνα 4.5 Απεικόνιση του μηχανισμού συσσωμάτωσης για: Α) AuNPs-κιτρικό και Β) AuNPs-κιτρικό και SRHA [Diegoli et al., 2008] Στην Εικόνα 4.5 σχήμα Α, παρατηρούμε ότι, όταν το ph της κολλοειδούς διασποράς μειωθεί, τότε συσσωμάτωση δύναται να συμβεί, οφειλόμενη στη πρωτονίωση των ανιόντων κιτρικού, όπου απογυμνώνει από το αρνητικό φορτίο την 46

48 επιφάνεια των AuNPs. Εξαιτίας αυτού του μηχανισμού, εμφανίζεται γύρω από τα NPs μια διαμήκης ζώνης πλάσματος. Όταν τα SRHA υπάρχουν σε ένα διάλυμα με τα AuNPs-κιτρικού, δύναται να γίνει υποκατάσταση των ιόντων κιτρικού από τα πολυανιονικά SRHA. Στο σχήμα Β, παρατηρούμε ότι μετά την υποκατάσταση των ιόντων κιτρικού από τα SRHA, και με την μείωση επίσης του ph, συμβαίνει πρωτονίωση των φαινολικών και καρβοξυλικών πολυλειτουργικών ομάδων των SRHA, προκαλώντας επίσης μείωση της ηλεκτροστατικής σταθεροποίησης των AuNPs. Έτσι προκαλείται επίσης συσσωμάτωση των AuNPs. Ωστόσο μετά από χρόνο, η συσσωμάτωση επιβραδύνεται μετά από στερική σταθεροποίηση που προκαλείται από τα SRHA [Diegoli et al., 2008]. Παρ όλα αυτά, ο ακριβής μηχανισμός απορρόφησης, τροποποίησης και ενίσχυσης της σταθεροποίησης των AuNPs, σε όλα τα υδάτινα και χερσαία οικοσυστήματα, θα πρέπει να ερευνηθεί περαιτέρω. Στους Πίνακες 1 και 2 του παραρτήματος, παρουσιάζονται αντίστοιχα, τα χαρακτηριστικά και τα αποτελέσματα των in vitro και in vivo μελετών που αναλύθηκαν κατά την βιβλιογραφική ανασκόπηση των τοξικολογικών επιπτώσεων των AuNPs. 47

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΑΡΓΥΡΟΥ (AgNPs) 5.1 Γενικά Ένα ακόμη στοιχείο που χρησιμοποιείται ευρέως σε διαστάσεις νανοκλίμακας, είναι και τα νανοσωματίδια αργύρου (AgNPs). Η χρήση του αργύρου από τους ανθρώπους, χρονολογείται, όπως και στη περίπτωση του χρυσού, από το 5000 π.χ.. Ο άργυρος χρησιμοποιούταν στην ιατρική, κυρίως λόγω των αντιμικροβιακών του Εικόνα 5.1 Νανοσωματίδια Αργύρου ιδιοτήτων, που ήταν γνωστές από τότε και πολλά φάρμακα με περιεκτικότητα σε αυτό το στοιχείο, χρησιμοποιούνταν μέχρι και τον 20 ο αιώνα. Η χρήση του συναντάται μέχρι και σήμερα μαζί με το χρυσό, στην Ayurvedic ιατρική. Ο άργυρος επίσης, χρησιμοποιούταν για την κατασκευή πολυτελών οικιακών σκευών και στην κατασκευή νομισμάτων. 5.2 Εφαρμογές των Νανοσωματιδίων Αργύρου Τα AgNPs, είναι τα περισσότερο χρησιμοποιούμενα είδη νανοσωματιδίων στην βιομηχανία και την ιατρική. Έρευνες που έχουν γίνει, έχουν εντοπίσει ότι από τα 1300 καταναλωτικά προϊόντα που χρησιμοποιούνται σήμερα και περιέχουν νανοσωματίδια ως δραστικά συστατικά, το 30% περίπου χρησιμοποιεί νανοσωματίδια αργύρου [Chairuangkitti et al., 2012; Singh and Ramarao, 2012; PEN, 2011]. Συγκεκριμένα, τα AgNPs χρησιμοποιούνται σε διάφορα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, όπως υφάσματα, κουβέρτες και είδη ρουχισμού, σε επιχρίσματα [Liu et al., 2012; Tavares et al., 2012; Krystek, 2012; Beer et al., 2012], σε συσκευασίες τροφίμων, σε ψυγεία, πλυντήρια και άλλες συσκευές [Mukherjee et al., 2012; Grosse et al., 2012; Hadrup et al., 2012], σε βαφές και χρώματα δωματίων [Mukherjee et al., 2012; Krystek, 2012; Grosse et al., 2012], σε προϊόντα προσωπικής φροντίδας, όπως στα καλλυντικά [Kim et al., 2012], στα μπιμπερό [Hadrup et al., 2012], σε σαμπουάν και οδοντόκρεμες [Liu et al., 2012], σε συσκευές αντισύλληψης, σε απορρυπαντικά, σε αντιβακτηριδιακά διακοσμητικά σπρέι δωματίου [Mukherjee et al., 2012] κ.ά.. Τα AgNPs, χρησιμοποιούνται επίσης σε οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές και στην συγκόλληση (μπρουτζοκόλληση) [Singh & Ramarao, 2012; Krystek, 2012], καθώς και στη βιομηχανία καταλυτών [Singh & Ramarao, 2012], με άριστα αποτελέσματα. Στην ιατρική, χρησιμοποιούνται σε εμφυτεύματα και οστά [Kim et al., 2012; Krystek, 2012], σε χειρουργικά εργαλεία [Grosse et al., 2012], σε εφαρμογές μεταφοράς και παράδοσης φαρμάκων, σε βιοαισθητήρες [Kim et al., 2012] και σε καθετήρες [Singh & Ramarao, 2012]. Επίσης χρησιμοποιούνται στους επιδέσμους πληγών [Kim et al., 2012; Beer et al., 2012], λόγω των πλεονεκτημάτων του μειωμένου πόνου κατά την αλλαγή, τη μειωμένη συχνότητα αλλαγής σε σύγκριση με άλλα υλικά, του μειωμένου κόστους και βέβαια των αντιμικροβιακών ιδιοτήτων τους [Singh & Ramarao, 2012]. AgNPs έχουν χρησιμοποιηθεί στην ιατρική επίσης, έναντι διαφόρων παθήσεων, όπως 48

50 ηπατίτιδα -B, καρκίνος, παθήσεις του αμφιβληστροειδούς, νεοαγγείωση, διαβήτης, ανθρώπινη ανοσοανεπάρκεια (HIV), καθώς και έναντι διαφόρων βακτηρίων και ιών [Sukirtha et al., 2012]. Η σημαντικότερη ιδιότητα, που καθιστά τα νανοσωματίδια αργύρου ιδανικά για διάφορες εφαρμογές, είναι οι αντιμικροβιακές του δραστηριότητες. Έχουν βρεθεί να είναι πολύ αποτελεσματικά, στη προστασία από ένα ευρύ φάσμα βακτηρίων, μυκήτων και ιών [Panacek et al., 2011; Chairuangkitti et al., 2012]. Επίσης, ως νανοδομές, έχουν κι αυτά όλες τις φυσικοχημικές βελτιωμένες ιδιότητες, όπως τη μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, τις οπτικές, μηχανικές και μαγνητικές ιδιότητες κ.ά Η Τοξικότητα των AgNPs Τον μεγαλύτερο αριθμό ερευνών τοξικότητα νανοσωματιδίων, αποτελούν τα νανοσωματίδια αργύρου (AgNPs). Πολλές έρευνες έχουν πραγματοποιηθεί για την αξιολόγηση της in vitro και in vivo τοξικότητας των AgNPs σε πολλά είδη κυτταρικών γραμμών, καθώς και στο μεγαλύτερο ποσοστό διαφόρων οργανισμών Μελέτες τοξικότητας σε κυτταρικές γραμμές (in vitro) Οι Asare et al., [2012], στην in vitro έρευνά τους, πραγματοποίησαν την αξιολόγηση της τοξικότητας των AgNPs μέσου μεγέθους 20 και 200 nm, στις κυτταρικές γραμμές NT2 (Ntera2, ανθρώπινα εμβρυϊκά καρκινικά κύτταρα όρχεων), C57BL6 (πρωτογενή κύτταρα όρχεων άγριου τύπου ποντικιών WT) και KO,mOgg1-/(Knock Out, γονότυπος 8-οξογουανίνη DNA γλυκοζυλάση). Το είδος γονότυπου KO,mOgg1-/-, θεωρείται κατάλληλο για τοξικολογικές μελέτες πάνω στο αναπαραγωγικό σύστημα των ανθρώπων, λόγω της ικανότητάς του να μιμείται την επισκευή των ανθρώπινων ορχικών κυττάρων από οξειδωτικές βλάβες. Τα AgNPs, δεν περιείχαν τροποποιητή επιφάνειας και οι συγκεντρώσεις που χορηγήθηκαν ήταν 10, 50 και 100 μg/lt, για 24, 48 και 72 ώρες έκθεσης. Κατά τις μελέτες οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι κυτταρικές γραμμές NT2 ήταν σχετικά ανθεκτικότερες, παρουσιάζοντας μια μικρή τοξικότητα στις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις (βιωσιμότητα 77% στα 20 nm και 85% στα 200 nm). Επίσης, κατά την μελέτη των ROS επιπέδων, δεν παρατηρήθηκε καμία αύξηση στην κυτταρική γραμμή NT2. Ωστόσο στις κυτταρικές γραμμές C57BL6 και KO, παρουσιάστηκαν τοξικές επιδράσεις ακόμη και στις μικρότερες συγκεντρώσεις των 10 μg/ml, με μείωση της μεταβολικής δραστηριότητας κατά 22.5% και 27.5% και για τα δύο είδη, στα 20 και 200 nm αντίστοιχα. Παρατηρήθηκε λοιπόν, ότι τα μικρότερα AuNPs προκάλεσαν μεγαλύτερη τοξικότητα, με τη μορφή νέκρωσης των κυττάρων, μείωση του πολλαπλασιασμού εξαρτώμενη από τον χρόνο, μείωση της μιτοχονδριακής λειτουργίας (μεταβολισμό, διαταραχή της αναπνευστικής αλυσίδας και διακοπή σύνθεσης ATP), αιτία των οποίων θεωρήθηκαν τα αυξημένα επίπεδα ROS που επίσης παρατηρήθηκαν. Τα μεγαλύτερα AuNPs 200 nm, έδειξαν μικρότερη και εξαρτώμενη από τη συγκέντρωση τοξικότητα με τη μορφή απόπτωσης κυττάρων, κατακερματισμό, μεταλλάξεις, οξείδωση και σύμπλοκα DNA. Σε αντίθεση με τα AgNPs, τα TiO2-NPs, δεν προκάλεσαν καμία τοξική επίδραση στα κύτταρα, αντιθέτως παρατηρήθηκε μια αύξηση της δραστηριότητας των μιτοχονδρίων με την απελευθέρωση κάποιων πιθανών αυξητικών παραγόντων, πράγμα που δύναται να προκαλέσει σχηματισμό 49

51 μεταλλαγμένων κυττάρων, πιθανότατα και ογκογένεση. Η έρευνα αυτή επίσης, απέδειξε την ικανότητα εσωτερίκευσης και αλληλεπίδρασης των AgNPs με τον πυρήνα των κυττάρων και το DNA. Οι Beer et al., [2012], μελέτησαν την επίδραση των AgNPs και των ιόντων Ag+, στην κυτταρική γραμμή Α549 (ανθρώπινα καρκινικά επιθηλιακά πνευμονικά κύτταρα), ώστε να προσδιορίσουν αν η τοξικότητα οφείλεται στο σύνολο των νανοσωματιδίων, ή στην απελευθέρωση ιόντων από αυτά. Έτσι χρησιμοποίησαν σφαιρικά AgNPs μεγέθους 30 έως 50 nm, τροποποιημένα με PVP, σε συγκεντρώσεις 1.5 μg/ml. Σε διαφορετικά δείγματα πρόσθεσαν 39% και 69% Ag+. Παρατηρήθηκε ότι κατά την έκθεση των κυττάρων, μόνο σε Ag+, δεν παρατηρήθηκε σημαντική τοξικότητα. Ωστόσο, στα διαλύματα που περιείχαν 39% και 69% Ag+, παρατηρήθηκε βιωσιμότητα 92% και 54% αντίστοιχα, υποδεικνύοντας ότι η συνύπαρξη AgNPs και Ag+, είναι ο καθοριστικός παράγοντας για τις τοξικές επιδράσεις στους οργανισμούς, ακόμη και σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Αιτία της τοξικότητας και σε αυτή την περίπτωση, θεωρήθηκε η αύξηση των επιπέδων ROS, όπου αυξήθηκε κατά 2.6 και 6 φορές, στις δυο συγκεντρώσεις, δείχνοντας την επίδραση των ιόντων σε αυτά. Όσον αφορά τον επιφανειακό τροποποιητή, παρατήρησαν ότι δεν υπήρχε καμία τοξική επίδραση, ακόμη και συγκέντρωση 50% w/w. Οι Grosse et al., [2012], χρησιμοποίησαν AuNPs μέσου μεγέθους 10, 50 και 100 nm, με κιτρικό τροποποιητή, σε συγκεντρώσεις 1, 10, 25 μg/ml, ώστε να αξιολογήσουν τις τοξικές επιδράσεις στη κυτταρική γραμμή RBE4 (εγκεφαλικά ενδοθηλιακά κύτταρα αρουραίου). Τα κύτταρα RBE4, αποδείχτηκαν αρκετά ευαίσθητα, καθώς παρατηρήθηκαν αλλοιώσεις και βλάβες των κυτταρικών μεμβρανών και αναστολή του κυτταρικού πολλαπλασιασμού, σε αρκετά χαμηλές συγκεντρώσεις (EC50 τα 10 μg/ml). Η εκτίμηση των βλαβών στις κυτταρικές μεμβράνες, πραγματοποιήθηκε με τον προσδιορισμό της πρόσληψης χρωστικής ουδέτερου ερυθρού (NR), η οποία σχετίζεται με τη διαπερατότητα της μεμβράνης. Ο δείκτης αυτός υπέστη μείωση της τάξης του10% μετά από 1 ώρα έκθεσης και στη συνέχεια το ποσοστό αυξήθηκε. Αιτία της μείωσης του NR θεωρήθηκαν τα ιόντα Ag+ που απελευθερώνονταν από τα AgNPs. Η μείωση της κυτταρικής ακεραιότητας, πραγματοποιήθηκε με προσδιορισμό της LDH (γαλακτική αφυδρογονάση), η οποία διαρρέεται από τα τις μεμβράνες, όταν η ακεραιότητά τους έχει διαταραχτεί. Παρατηρήθηκε ότι η διαρροή της ήταν εξαρτώμενη από τη δόση και από τον χρόνο. Και σε αυτή την έρευνα οι μελετητές, κατέληξαν στο συμπέρασμα, ότι η τοξικότητα δεν οφείλεται στα Ag+ αποκλειστικά, επιβεβαιώνοντας τις τοξικές επιδράσεις της συμβολής AgNPs και Ag+. Στην έρευνα των Kim et al., [2012], αξιολογήθηκαν οι επιδράσεις των AgNPs μεγέθους 10, 50 και 100 nm, στις κυτταρικές γραμμές MC3TE-E1 (κυτταρικές γραμμές οστεοβλάστη ποντικών) και PC12 (κυτταρικές γραμμές επινεφριδίων του μυελού αρουραίων). Τα AgNPs δεν περιείχαν τροποποιητή επιφάνειας και χορηγήθηκαν σε συγκεντρώσεις 10 και 20 μg/ml (για τον προσδιορισμό της LDH) και 10, 20, 40 και 80 μg/ml (για τον προσδιορισμό των ROS επιπέδων). Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής, έδειξαν τοξικότητα υπό μορφή κυτταρικής απόπτωσης στα κύτταρα MC3T3-E1 και νέκρωση στα κύτταρα PC12. Η τοξικότητα ήταν εξαρτώμενη από το μέγεθος, καθώς τα μικρότερα NPs προκάλεσαν μεγαλύτερο ποσοστό απόπτωσης και νέκρωσης. Επίσης παρατηρήθηκαν μεταβολές της δομής και μορφολογίας των κυττάρων, κατακερματισμός του πυρήνα (αποτέλεσμα της απόπτωσης), κυτταρική συρρίκνωση, αύξηση του όγκου (πρήξιμο) των κυτταρικών μεμβρανών, ακόμη και στις μικρότερες συγκεντρώσεις των 10 μg/ml. Η κυτταροτοξικότητα και σε αυτή τη περίπτωση αποδόθηκε στα υψηλά επίπεδα ROS, τα 50

52 οποία αυξήθηκαν κατά 52.9% στα AgNPs των 10 nm, στις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις των 80 μg/ml, κατά 61% στα 50 nm και 64.3% στα 100 nm. Αν και τα κύτταρα PC12 παρουσίασαν επίσης τοξικές επιδράσεις, ένας μόνο αριθμός αυτών διασπάστηκε, υποδεικνύοντας μικρότερη ευαισθησία, σε σχέση με τα κύτταρα MC3T3-E1. Και σε αυτή τη μελέτη, η κυτταροτοξικότητα προσδιορίστηκε με την εκτίμηση της LDH, η οποία αυξήθηκε κατά 105% (10 μg/ml) και 150% (40-80 μg/ml) για τα κύτταρα MC3T3-E1 και 120% (10 μg/ml) και 190% (40-80 μg/ml) για τα κύτταρα PC12. Οι Singh and Ramarao, [2012], έκθεσαν τις κυτταρικές γραμμές RAW264.7 και J774.1 (μακροφάγα κύτταρα), A549 (αδενοκαρκινικά κύτταρα ανθρώπινου πνεύμονα), A498 (καρκινικά ηπατικά ανθρώπινα κύτταρα), HepG2 (καρκινικά ηπατικά ανθρώπινα κύτταρα) και Neuro2A (κύτταρα νευρώνων ποντικιών), σε AgNPs μέσου μεγέθους 43,9 nm, σε συγκεντρώσεις από 10 έως 100 μg/ml. Οι ερευνητές αυτοί, παρατήρησαν μιτοχονδριακές βλάβες, οι οποίες προκάλεσαν απόπτωση κυττάρων (25%). Η έρευνα έδειξε ότι τα AgNPs εσωτερικεύονται αποτελεσματικά, μέσω των υποδοχέων κάθαρσης της επιφάνειας των κυττάρων ή μέσω της φαγοκυττάρωσης από τα μακροφάγα κύτταρα. Στη συνέχεια, μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα, πραγματοποιείται υποβάθμιση των AgNPs με απελευθέρωση Ag+, τα οποία δύναται να παρέμβουν στη φυσιολογική λειτουργία των μιτοχονδρίων, επάγοντας την απόπτωση κυττάρων και να αυξήσουν τα επίπεδα ROS. Στην Εικόνα 5.2, παρουσιάζεται ο μηχανισμός δράσης όπως εξηγήθηκε από τους συγκεκριμένους ερευνητές. Οι παρατηρήσεις τοξικότητας και σε αυτή την έρευνα, αποδόθηκαν στη συνδυασμένη δράση AgNPs και Ag+. Κατά τις αναλύσεις, παρατηρήθηκε επίσης μεγαλύτερη ευαισθησία των μακροφάγων κυττάρων, σε σχέση με τα υπόλοιπα κύτταρα, υποδεικνύοντας επίσης την εξάρτηση της τοξικότητας από το είδος των οργανισμών. Όμοια αποτελέσματα παρατήρησαν και οι Park et al., [2011], με την έκθεση L929 (ινωδοβλάστες κύτταρα) και RAW264.7, σε AgNPs 20, 80 και 113 nm, σε συγκεντρώσεις 0.1 έως 100 μg/ml. Στην έρευνα τους, παρατηρήθηκαν φλεγμονές, γονοτοξικότητα, μείωση της ανάπτυξης και βλάβες στις μεμβράνες των κυττάρων. Επίσης, παρατηρήθηκαν μορφολογικές μεταβολές των κυττάρων και βλάβες στο DNA. Τα μικρότερα AgNPs, αποδείχθηκαν περισσότερο κυτταροτοξικά. Η τοξικότητα, αποδόθηκε επίσης στην αύξηση των επιπέδων ROS, αιτία της οποίας ήταν η απελευθέρωση Ag+. Στην περίπτωση της έρευνα αυτής, τα L929 κύτταρα, αποδείχθηκαν περισσότερο ευαίσθητα στις τοξικές επιδράσεις σε μικρές συγκεντρώσεις. Ωστόσο σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις, τα μακροφάγα κύτταρα υπέστησαν αυξημένη κυτταροεικόνα 5.2 Αναπαράσταση του μηχανισμού τοξικότητα επίσης. Οι τιμές EC50 που κυτταροτοξικότητας των AgNPs [Singh,Ramarao, 201] προσδιορίστηκαν για τη μείωση της μεταβολικής δραστηριότητας ήταν 7.1 και 6.7 μg/ml για τα L929 και RAW264.7, αντίστοιχα στην περίπτωση της επίδρασης των Ag+, και 2.7 και 7 μg/ml αντίστοιχα για τα δυο είδη κυττάρων στην περίπτωση επίδρασης AgNPs. Στη μελέτη αυτή, τα AgNPs δεν περιείχαν τροποποιητή επιφάνειας, ο οποίος 51