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Conseguenze Sull'Ambiente di Nanotecnologia


Da Dott. Priyanka Battacharya

Dott. Priyanka Battachara, Nano-Biofisica e Laboratorio Molle della Materia, Dipartimento di Fisica ed Astronomia, Clemson University.
Autore Corrispondente: pbhatta@g.clemson.edu

Indice

Introduzione
Nanomaterials per il Trattamento Delle Acque
Applicazioni Ambientali dei Polimeri Dentritici
Orientamenti Futuri
Riferimenti

Introduzione

Gli sviluppi Recenti della scienza dei materiali e della nanotecnologia hanno provocato una miriade degli sviluppi, che hanno piombo alle richieste per ricerca sugli impatti dei nanomaterials sull'ambiente e sulle sanità. Negli ultimi dieci anni, sta coltivando la preoccupazione sopra gli impatti potenzialmente avversi di salubrità ed ambientali dei nanomaterials.1 Allo stesso tempo, la nanotecnologia ha fornito le soluzioni ambientali migliori, particolarmente nel campo di qualità dell'acqua.2 I problemi ambientali sono un mosaico complicato dei fenomeni multipli che richiedono l'analisi e le soluzioni multidimensionali. Mentre i fisici provano a capire le interazioni fisiche fondamentali fra i nanomaterials e l'ecosistema ed abbiamo sviluppato parecchi schemi facili per agire in tal modo facendo uso dei principi e delle tecniche di fisica, di materiali e di chimica fisica. Il fuoco di questo articolo è i contributi che chiave il nostro laboratorio ha dato al campo di rimedio dell'acqua potabile facendo uso dei nanomaterials.

Nanomaterials per il Trattamento Delle Acque

Universalmente, 1,1 miliardo genti mancano dell'accesso agli importi sufficienti dell'acqua sicura.3 Le offerte Adeguate dell'acqua decontaminata con alta capacità di lavorazione ad un basso costo sono una sfida crescente intorno al mondo. I metodi Correnti di depurazione delle acque nell'ampio uso impiegano il trattamento chimicamente intensivo che è relativamente costoso, nocivo all'ambiente e non è adattabile al mondo non industrializzato. le tecnologie Nanomaterial Basate, gli adsorbenti ed i catalizzatori hanno potuto creare il romanzo, in condizioni ambientali soluzioni benigne per il trattamento delle acque. Ci sono tre applicazioni principali dove i nanomaterials mostrano la promessa - percepire e rilevazione degli agenti inquinanti, del trattamento e del rimedio degli agenti inquinanti e per concludere, prevenzione dell'inquinamento. I Nanomaterials egualmente stanno usandi per migliorare i trattamenti della separazione di membrana, piombo alla maggior selettività ed ai bassi costi. Tuttavia, le riuscite applicazioni di queste tecnologie richiedono l'alto livello di controllo di mobilità (NP) di nanoparticella, la reattività ed idealmente, specificità per l'agente inquinante di interesse.

Gli effetti ecologici sconosciuti, la stabilità ambientale, sporcanti i beni, limiti di segnalazione bassi, alti costi e preoccupazioni sopra la loro rigenerazione e deposito ambientale limita le applicazioni della larga scala di molti nanomaterials comunemente usati per il trattamento delle acque, quali ferro valent zero nano, le nanoparticelle del biossido di titanio, i nanotubes del carbonio e le zeoliti. Gli Sviluppi della chimica macromolecolare quale la sintesi dei polimeri dentritici hanno offerto i gran opportunità del miglioramento e dello sviluppare di efficaci trattamenti di filtrazione affinchè la depurazione delle acque eliminino i soluti organici differenti e gli anioni inorganici. I polimeri Dentritici che includono hyperbranched e polimeri, dendrons e dendrimers del dendrigraft è altamente sintetico, nanoscale si sono ramificati strutture con un alto livello di funzionalità di superficie, di monodispersity, di composizione controllata e di architettura che video il comportamento fisico-chimico interessante dovuto la loro forma, dimensione e funzionalità multiple.4

Applicazioni Ambientali dei Polimeri Dentritici

Un polimero dentritico può essere considerare come nanoparticella di un ` delicatamente', consistente di tre componenti principali - una memoria, delle celle interne della filiale e di una cella della filiale terminale. La dimensione di un polimero dentritico è caratterizzata dalla sua generazione del `' (G), o numero delle filiali che derivano dall'anima (Figura 1). Dendrimers ha un'alta capacità d'ospitalità per gli ioni tossici del metallo, i radionuclidi, gli anioni inorganici, i soluti organici e gli idrocarburi aromatici policiclici (PAHs).5,6 Inoltre, i beni anfifilici dipendenti dal pH dei polimeri dentritici li permettono di catturare le varie specie chimiche nei diversi ambienti quali le soluzioni e le interfacce acquose ed organiche dell'petrolio-acqua e poi rilasciano queste specie chimiche in un modo controllato cambiando il pH in situ senza dovere ricorrere a rigenerazione intensiva e costosa.


Figura 1. struttura Esemplare dei dendrimers di polyamidoamine della generazione 0 (G0) e della generazione 2 (G2) (PAMAM) con i gruppi di superficie di amidoethanol ed amminici. Cortesia di Immagine del Sigma Aldrich.

I seguenti beni fisico-chimici unici dei dendrimers li rendono particolarmente attraenti come materiali funzionali per il trattamento delle acque.

1. Ospitalità capacità e della riciclabilità

Un alto livello di flessibilità nella sintesi quasi dei dendrimers del nanoscale del monodisperse (dimensione varia fra 1-20 nanometro) con composizione molecolare ben definita, la dimensione e la forma, il functionalization variabile e le intercapedini idrofobe li permettono con l'armatura flessibile ma rigida. Dendrimers ha viscosità intrinseche molto più piccole che i polimeri lineari con la stessa massa molare a causa della loro forma globulare.4 Egualmente hanno una molta grande area che le particelle in serie dello stesso Massachusetts. Quindi, a differenza delle membrane di nanofiltration (RO) e di osmosi inversa di cui le operazioni richiedono le membrane ad alta pressione e dendrimer-migliorate (UF) di ultrafiltrazione funzioni alle pressioni più basse (kPa 200-700) e può catturare sia gli agenti inquinanti di alto peso molecolare che di minimo, a differenza delle membrane invariate di UF che possono rimuovere soltanto il kDa dissolto dei composti organici ed inorganici of3. Inoltre, è stato dimostrato che i polimeri dentritici possono essere integrati nell'esistenza, trattamenti commerciali della separazione di membrana di UF.7,8

In uno studio del proof of concept, il nostro gruppo ha mostrato che un dendrimer di trifunctional G4-tris PAMAM video la capacità d'ospitalità eccezionale e selettiva verso le specie chimiche importanti di importanza ambientale, vale a dire - 64 di rame cationici (ioni del Cu (II)) per dendrimer con formazione complessa del trasferimento di carica del legante--metallo (LMCT) a pH 10, 32 ioni anionici (NO)3- del nitrato con le interazioni elettrostatiche alle molecole del fenantrene del PAH di pH 2 e (PN) 10 con le interazioni idrofobe a pH 7 (Figura 2).9 Notevolmente, quando il pH sono stati abbassati a 2, sia PN che Cu (II) è stato rilasciato dall'interno del dendrimer mentre NESSUNO3- ione è stato rilasciato quando il pH è stato sollevato a 10.


Figura 2. Struttura (a) di una generazione 1 poli (amidoammina) - dendrimer (idrossimetilico) del amidomethane di tris (Tris-dendrimer), la particella elementare della generazione 4 Tris-dendrimer utilizzato nello studio presente. Rosso: ossigeno; Verde: ammina secondaria; Blu: ammina terziaria. (b) Schema delle specie chimiche assorbenti del dendrimer a pH differente.9

Inoltre, abbiamo dimostrato la rimozione efficiente di acido umico dissolto (HA) facendo uso dei dendrimers di PAMAM.10 L'HA è una molecola estremamente complessa che consiste di parecchi gruppi chimici anionici. L'alto livello di funzionalità di superficie sui dendrimers di PAMAM li ha permessi di comportarsi come “nanosponge„ nell'adsorbimento delle tali specie molecolari complesse. La Centrale a questo metodo era formazione complessa derivando dalle interazioni elettrostatiche fra i dendrimers cationici e l'HA anionico al pH neutrale. Il doppio dimostrato dendrimers di PAMAM la capacità degli adsorbenti polimerici comunemente usati per l'HA, neutralizzazione della tassa è stato raggiunto una volta. Tuttavia, il carico dei dendrimers supplementari ri-ha stabilizzato e risospeso i cumuli via la repulsione elettrostatica.

Egualmente abbiamo sviluppato uno schema ottico novello basato sulla risonanza di superficie del plasmon di un nanowire dell'oro (Au-NANOWATT) per individuare selettivamente il Cu (II) nelle soluzioni acquose, giù all'intervallo di nanometro dai dendrimers di PAMAM vincolato elettrostaticamente sul substrato Au-NANOWATT.11 Un Tal limite di segnalazione è il di gran lunga più basso e più fattibile fra gli schemi analitici comunemente usati per rilevazione dello ione del metallo.

Ancora, abbiamo caratterizzato questo la morbidezza, in condizioni ambientali nanomaterials benigni per l'attenuazione delle nanoparticelle scaricate potenzialmente nocive dall'ambiente acquoso. Qui i fullerenols sono stati usati come nanomaterial di modello e le loro interazioni con i dendrimers di due generazioni, G1 e G4 differenti sono state studiate facendo uso della spettrofotometria e dei metodi termodinamici. Specificamente, abbiamo trovato che ogni fullerenol limitato con due ammine primarie per dendrimer (sia G1 che G4) con legame ionico e la formazione di grandi cumuli dovuto le interazioni del inter cluster facilitate da legame dell'idrogeno e le interazioni idrofobe erano evidenti (Figura 3). Apparentemente, tale formazione del inter cluster può essere gestita regolando il rapporto molare di dendrimer al fullerenol. Inoltre, la formazione di assembly di dendrimer-fullerenol a capacità di carico massima era energetico favorevole e thermodinamicamente spontaneo.12 Tali interazioni del inter cluster fra i complessi di dendrimer-fullerenol sono reputate desiderabili per l'attenuazione della versione accidentale dei nanomaterials nell'ambiente; tuttavia dovrebbero essere minimizzate per la consegna della droga dei derivati del fullerene da un dendrimer - alla luce della loro diffusione nella circolazione sanguigna e nell'assorbimento finale delle cellule. Sulla Base di questo studio, raccomandiamo un rapporto di caricamento di G4/fullerenol di 0.005-0.02 per la consegna della droga (l'intervallo sotto precipitazione) e un rapporto di caricamento di G4/fullerenol superiore di 0,02 per rimedio ambientale. Ancora, per sia il nanomedicinal che le applicazioni ambientali, la finalità di questo studio può essere estendere a quello dei polimeri e nanoparticelle ramificati/hyperbranched della tassa opposta.


Figura 3. Illustrazione dell'auto-assembly di un dendrimer di G4-PAMAM (rosso) e dei fullerenols (argento). Le ammine primarie del dendrimer sono indicate in blue.12

Catturati insieme, questi studi a livello di laboratorio qui sopra hanno dimostrato che i dendrimers di PAMAM permettono più thermodinamicamente ad un trattamento spontaneo dell'adsorbimento per varie specie chimiche e agenti inquinanti ambientali che altre procedure convenzionali di depurazione delle acque quale il RO, che richiedono l'energia di determinare il trattamento a completamento. Tali beni dei dendrimers di PAMAM dovrebbero fare appello a alle generazioni future di unità di trattamento delle acque.

2. Biocompatibilità

la tossicità In relazione con Dendrimer perfino poi è stata osservata soltanto per il G7 e più grande e, soltanto come minimo.13 Parecchi studi sull'uso dei dendrimers per la transfezione del DNA, portafili dell'agente di contrasto dello ione del metallo per MRI, hanno mirato alla droga ed ai vettori terapeutici dell'agente e gli inibitori virali hanno suggerito che polimeri hyperbranched e dendrimers di PAMAM di G5 e sotto sono non tossici e biodegradabili.14,15 Inoltre, i dendrimers non lasciano alcuni sottoprodotti potenzialmente nocivi.

3. Degradability

I dendrimers di PAMAM mostrano la degradazione misurabile soltanto durante il terzo anno di archiviazione a 5°C e una durata di prodotto in magazzino di ~6-9 mesi alla temperatura ambiente, in base alla reazione di retro-Michael. Così vita lunga assicura la stabilità e l'efficacia dei polimeri dentritici per la pratica del trattamento delle acque. Ancora, l'aggiunta delle obbligazioni enzima-degradabili (per esempio, ammidi in PAMAM) può essere usata tali che gli enzimi idrolitici intracellulari o extracellulari possono rompere le catene del polimero all'interno di una. Questi beni hanno potuto diventare pertinenti sopra l'assorbimento accidentale dei polimeri dentritici durante il consumo di acqua. Un terzo meccanismo per degradazione del dendrimer è tramite idrolisi dell'acqua che agisce sui legami d'estere nei polimeri. Tali meccanismi possono essere utilizzati per ripartire selettivamente i polimeri dentritici inviano il loro uso nel trattamento delle acque.

Quindi, le alte e capacità d'ospitalità versatili, il rendimento energetico, il regenerability, la selettività, la biocompatibilità ed in condizioni ambientali la natura benigna rendono a polimeri dentritici un nanomaterial desiderabile per le applicazioni ambientali. È quindi il nostro sforzo per sfruttare il comportamento fisico-chimico dei polimeri dentritici per rimedio ambientale.

Orientamenti Futuri

Stiamo sviluppando le strategie per l'estensione della portata dei polimeri dentritici per rimedio ambientale. Uno dei nostri studi recenti ha esplorato la capacità di questi polimeri dentritici di disperdere il petrolio rovesciato,16 un rischio ambientale enorme connesso con l'operazione offshore dell'industria petrolifera. Energetico, l'interno idrofobo di questi polimeri all'acqua ambientale pH prevede ampio spazio affinchè le molecole idrofobe del petrolio divida dentro.

Mentre più di 70% della superficie della terra è coperto dall'acqua, solo circa 3% di è disponibile per consumo umano. Anche peggio, in paesi in via di sviluppo, 80% delle malattie sono l'acqua riguardante. Oltre a fornire le soluzioni tecniche alla sfida vacillante di fornitura dell'acqua potabile pulita, l'accettazione regolatrice e pubblica a usando la nanotecnologia per il trattamento dell'acqua potabile deve essere stabilita. Inoltre, le valutazioni del ciclo di vita dei rischi e dei vantaggi di questi nanomaterials sono necessarie fondamentalmente.


Riferimenti

  1. Colvin, V.L. L'impatto ambientale potenziale dei nanomaterials costruiti. Nazionale. Biotechnol. 2003, 21, 1166-1170.
  2. Selvaggio, N. e Diallo, M.S. Nanomaterials e depurazione delle acque: Opportunità e sfide. J. Nanopart. Ricerca. 2005, 7, 331-342.
  3. Prentice, T. e Reinders, L.T. Il rapporto 2007 di salubrità del mondo: un futuro più sicuro: protezione globale di salute pubblica nel XXI secolo. Organizzazione mondiale della sanità. 2007, 1-96.
  4. Frechet, J.M.J.; Tomalia, D.A. Dendrimers ed Altri Polimeri di Dendrtitic. Serie di Wiley nella Scienza del Polimero; Wiley: Chichester, Inghilterra, 2001; pp. 648.
  5. Ottaviani, M.F.; Favuzza, P.; Bigazzi, M.; Turro, New Jersey; Jockusch, S.; Tomalia, D.A. Un'indagine di EPR e di TEM sull'associazione non Xerox degli ioni dell'uranile ai dendrimers ed ai liposomi di Starburst: Uso Potenziale dei dendrimers come spugne dello ione dell'uranile. Langmuir 2000, 16, 7368-7372.
  6. Lardo, M.; Kim, S.H.; Lin, S.; Bhattacharya, P.; Il KE, P.C.; Lamm, trasferimento di energia di risonanza di M.H. Fluorescence fra fenantrene e i dendrimers di PAMAM. Phys. Chim. Chem. Phys. 2010, 12, 9285-9291.
  7. Diallo, trattamento delle acque di M.S. da dendrimer ha migliorato la filtrazione. Gli Stati Uniti Brevettano 2008, 11/182,314, 1-40.
  8. Halford, B. Dendrimers si ramifica fuori. Notizie 2005, 83, 30-36 di Assistenza Tecnica e del Prodotto Chimico.
  9. Chen, P.; Yang, Y.; Bhattacharya, P.; Wang, P.; Il KE, P.C. Un tris-dendrimer per l'ospitalità delle specie chimiche diverse. J. Phys. Chim. C 2011, 115, 12789-12796.
  10. Bhattacharya, P.; Conroy, N.; Rao, DI MATTINA; Powell, B.; Ladner, D.A.; Il KE, dendrimer del P.C. PAMAM per l'attenuazione del foulant umico, Adv di RSC. 2012, 2, 7997-8001.
  11. Bhattacharya, P.; Chen, P.; Spano, M.N.; Zhu, L.; Il KE, rilevazione di P.C. Copper che utilizza dendrimer e da risonanza di superficie indotta nanowire del plasmon dell'oro. J. Appl. Phys. 2011, 109, 014911-1-6.
  12. Bhattacharya, P.; Kim, S.H.; Chen, P.; Chen, R.; Spuches, DI MATTINA; Brown, J.M.; Lamm, M.H.; Il KE, P.C. Dendrimer-fullerenol morbido condensato nanoassembly. J. Phys. Chim. C 2012, 116, 15775-15781.
  13. Lee, C.C.; MacKay, J.A.; Frechet, J.M.J.; Szoka, dendrimers di F.C. Designing per le applicazioni biologiche. Nazionale. Biotech. 2005, 23, 1517-1526.
  14. Mortimer, M.; Kasemets, K.; Heinlaan, M.; Kurvet, I.; Kahru, analisi cinetica di inibizione di bioluminescenza di fischeri del Vibrione di capacità di lavorazione di A. High per lo studio sugli effetti tossici delle nanoparticelle. Tossicologia in vitro 2008, 22, 1412-1417.
  15. Tang, M.X.; Redemann, C.T.; Szoka, consegna In vitro del gene di F.C. dai dendrimers degradati di polyamidoamine. Bioconjugate Chim. 1996, 7, 703-714.
  16. Geitner, N K.; Bhattacharya, P.; Steele, M.; Ladner, D.A.; Il KE, interazione dentritica dell'polimero-idrocarburo di P.C. Understanding per la dispersione del petrolio. Adv di RSC. 2012, Articolo Di Avanzamento (DOI: 10.1039/C2RA21602G).


Date Added: Sep 20, 2012 | Updated: Sep 21, 2012

Last Update: 21. September 2012 05:19

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