Nano-particule inovatoare pentru protecția soldaților împotriva agenților nervoși letali
Nano-particulele ar putea oferi, în viitor, o nouă metodă de a ajuta soldații să se apere împotriva agenților nervoși mortali pe câmpul de luptă.
O echipă de cercetători de la Universitatea Northwestern a dezvoltat un compus pe bază de nano-particule care, atunci când este amestecat în vopselele pentru îmbrăcăminte, ar putea limita impactul substanțelor chimice întâlnite frecvent în pesticide, insecticide și agenți nervoși.
Producătorii ar putea adăuga aceste nano-particule în hainele destinate celor mai expuși, precum măștile și mănușile fermierilor sau uniformele și echipamentele tactice ale soldaților. De asemenea, în cazul expunerii la o substanță chimică potențial letală, persoanele ar putea pulveriza îmbrăcămintea cu apă amestecată cu acest compus pentru a dezactiva substanța chimică înainte ca efectele dăunătoare să se instaleze.
Studiul a fost publicat recent (25 august) în jurnalul ACS Nano.
„Melaninii noștri bioinspirați sunt non-toxici și pot fi folosiți ca aditivi în haine sau măști de protecție și nu numai. Am demonstrat anterior capacitatea de a-i utiliza în vopsirea țesăturilor sintetice. Poți imagina folosirea acestei abordări pentru a crea îmbrăcăminte protectoare sau echipamente de respirație pentru lucrătorii care fabrică sau utilizează aceste materiale pentru a oferi protecție zilnică”, a declarat Nathan Gianneschi.
Gianneschi colaborează cu Omar Farha. Farha este profesor la Colegiul de Arte și Științe Weinberg și șef al Departamentului de Chimie. Gianneschi este profesor la Cohn și la Școala de Inginerie McCormick.
În acest nou studiu, echipele conduse de Gianneschi și Farha au căutat să imite modul în care natura poate contracara substanțe precum compușii organofosforici, chimicale toxice întâlnite în agenții nervoși și pesticide. Mai exact, au explorat allomelanină, un pigment biodegradabil și regenerabil care adâncește culoarea plantelor și fungilor.
Cercetătorii au început cu allomelanină sintetică, care este în mod natural poroasă, având o rețea de pori mici capabili să capteze substanțe chimice dăunătoare. Apoi, au adăugat un cluster de zirconiu, care catalizează reacțiile chimice. Lucrând împreună, allomelanină absoarbe substanțele chimice toxice, iar zirconiu le distruge.
„Această microporositate intrinsecă este necesară”, a spus Sofia Aman, studentă la studii de doctorat în laboratorul lui Gianneschi și co-autor al studiului. „Când am testat alte materiale asemănătoare melaninei, acestea nu au funcționat la fel de bine. Așadar, avem nevoie de această porozitate, ceea ce face allomelanină mult mai unică și un substrat mai bun.”
Pentru ca reacția chimică să funcționeze, mediul trebuie să fie complet bazic, atingând un pH de 10 sau mai mare. În loc să adauge un compus bazic extern, cercetătorii au încorporat grupuri chimice bazice pe suprafața nano-particulelor. Apoi, apa activează particulele, permițându-le să descompună substanțele chimice dăunătoare. Când compusul organofosforic se descompune, el eliberează două substanțe chimice – iar aici apare pericolul.
Una dintre substanțele chimice (fosfatul de dimetil) este non-toxic, în timp ce a doua substanță chimică (nitrofenil metil) oprește enzimele din sânge să descompună un neurotransmițător esențial, acetilcolina. Dacă enzimele nu pot descompune acetilcolina, aceasta se acumulează în sistemul nervos și împiedică creierul să comunice cu restul corpului.
Cu toate acestea, studiul recent a descoperit că cercetătorii pot limita expunerea, atât prin reducerea cantității de substanțe chimice toxice, cât și a potenței lor. Allomelanină a captat substanța chimică toxică și a descompus-o, lăsând substanța chimică non-toxic neafectată. În decurs de 10 minute, produsul secundar toxic a scăzut cu 50% și a continuat să scadă cu mai multă melanină și expunere la lumina soarelui.
„Anterior, grupul nostru a dezvoltat cadre metal-organice catalitice (MOFs), care sunt materiale excepțional de puternice în absorbția și procesarea agenților de război chimic”, a declarat Farha. „Această lucrare duce acele învățăminte mai departe spre materiale inspirate de melanina, care sunt în mod inerent adezive, acționând ca vopsele pentru diverse fibre și țesături. De fapt, melanina este pigmentul natural, precum și un absorbant eficient de molecule mici și ioni de metale grele în organismele biologice. Combinăm aceste funcții naturale cu cataliza folosind o combinație de chimie anorganică sintetică din grupul meu și știința polimerilor biomimetici din echipa lui Gianneschi.”
Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că melanina are beneficii naturale suplimentare. Melanina reacționează cu lumina soarelui și absoarbe căldura. Astfel, atunci când allomelanină este expusă la lumina soarelui, procesul de detoxifiere se accelerează.
„Am lucrat la melanina timp de peste 12 ani, încercând să învățăm despre numeroasele sale funcții în natură și să învățăm cum să optimizăm, dezvoltăm și inginerim materiale mimetice pentru aplicații scalabile și de tranziție”, a afirmat Gianneschi. „Aceasta ne oferă o mulțime de abordări și materiale pe care să le optimizăm și dezvoltăm pentru aplicații ca aceasta. În multe privințe, este o dovadă de concept pentru o nouă direcție în modul în care gândim despre designul materialelor și acoperirilor de protecție.”
Studiul se intitulează „Catalytic Porous Metallized Melanin for the Remediation of Organophosphorus Agents.”
