纳米颗粒(NP)通常用于通过针对工业和农业活动释放的土壤和水中的有害化学物质来减少环境污染。这些纳米颗粒经过精心设计，可以吸收、降解或中和这些污染物，为环境污染提供潜在的解决方案。然而，当释放到环境中时，它们可以被生物体消耗并通过食物链转移，从而导致广泛的毒性。

为了解决这个问题，由日本冈山大学 Masazumi Fujiwara 研究教授和 Yajuan Zou 助理教授领导的研究小组开发了一种聚合物涂层，可应用于纳米粒子以防止生态毒性。通过改变纳米粒子的表面化学和电荷，可以改变它们的结合特性。将亲水基团引入纳米粒子表面会形成屏障，阻止与生物分子和细胞表面的结合。

虽然已知带正电的纳米颗粒由于对带负电的细胞表面的吸引力而在生物体中积累更多，但最近的报告表明，带负电的纳米颗粒可能比带正电的纳米颗粒积累更多。

在 2024 年 5 月 7 日发表在《Chemosphere》杂志上的研究中，研究人员开发了一种带有带负电基团的聚甘油 (PG) 涂层。该涂层应用于氧化铁纳米粒子(ION)，发现可以有效减少秀丽隐杆线虫(一种广泛用作环境化学模型生物的线虫)中氧化铁颗粒的积累。

这项研究由冈山大学的 Fujiwara 教授、Zou 博士和 Yuta Nishina 博士、筑波大学的 Yutaka Shikano 博士以及京都大学的 Naoki Komatsu 博士和 Eriko Kage-Nakada 博士共同撰写。

Fujiwara 博士说：“我们已经证明，PG 嫁接是减少线虫中 ION 积累和抑制 ION 易位的有效方法，从而减轻了生殖潜力和存活率等毒性结果。”

研究人员将聚甘油涂层应用于各种尺寸(20 nm、100 nm 和 200 nm)的 ION，以创建 ION-PG，旨在评估涂层在各种 NP 尺寸范围内的功效。然后将 ION-PG 悬浮在溶液中，并引入秀丽隐杆线虫线虫。

这些蠕虫处于不同的生命周期阶段(从幼虫到成虫)，使研究人员能够监测其整个发育过程中纳米颗粒的积累。对照组暴露于含有未包被的 ION 的悬浮液。暴露 24 小时后，收集、清洗蠕虫并检查其体内是否积累了纳米粒子。

PG涂层可防止纳米粒子粘附在生物分子上，使它们更自由地穿过线虫的肠道并从体内排出。与对照组相比，暴露于 ION-PG 的线虫体内的纳米粒子水平较低。没有检测到可以轻易穿过蠕虫的最小的纳米粒子。

研究人员进一步研究了电荷基团对 NP 生物利用度的影响。他们将带正电的氨基和带负电的羧基和硫酸基引入到ION-PG中，并再次进行了实验。他们发现，由于带负电的细胞表面具有较高的静电排斥力，而与线虫中的生物分子的亲和力较低，因此带负电的颗粒比带正电的颗粒更容易穿过线虫。

因此，涂层减轻了 ION-PG 的毒性。研究人员观察到，与暴露于未涂层纳米粒子的组相比，暴露于 ION-PG 的组的生殖能力和寿命都有所改善。

研究人员强调，所开发的涂层还可以应用于其他纳米颗粒，例如用于环境修复的氧化石墨烯和二氧化钛。藤原博士说：“我们的研究结果预计将促进大量用于环境应用的环保纳米材料的设计和生产。”