Nanoparticles for the remediation of agrogenic contaminated soil and groundwater – a review

The wide spread use and strong reliance on both fertilizers and pesticides made of agrigenic pollution one of the major contemporary threats to environment and human health. Impacts on the environment vary from local effects, such as eutrophycation1, 2, loss of biodiversity and diminished ecosystem health3, to global effects, such as the aggravation of global warming2, 4 and ozone layer depletion5. The novelty of nanoremediation and its early successes, reported for various contexts, present the prospect for the development of relevant applications for agrigenic contaminants.

Nanoparticles based Permeable Reactive Barriers as an Eco-efficient Technology for nitrate remediation in soil and groundwater

The need to increase agricultural yield led, among others, to an increase in the consumption of nitrogen based fertilizers. As a consequence, there are excessive concentrations of nitrates, the most abundant of the reactive nitrogen (Nr) species, in several areas of the world. The demographic changes and projected population growth for the next decades, and the economic shifts which are already shaping the near future are powerful drivers for a further intensification in the use of fertilizers, with a predicted increase of the nitrogen loads in soils. Nitrate easily diffuses in the subsurface environments, portraying high mobility in soils. Moreover, the presence of high nitrate loads in water has the potential to cause an array of health dysfunctions, such as methemoglobinemia and several cancers. Permeable Reactive Barriers (PRB) placed strategically relatively to the nitrate source constitute an effective technology to tackle nitrate pollution. Ergo, PRB avoid various adverse impacts resulting from the displacement of reactive nitrogen downstream along water bodies. A four stages literature review was carried out in 34 databases. Initially, a set of pertinent key words were identified to perform the initial databases searches. Then, the synonyms of those initial key words were used to carry out a second set of databases searches. The third stage comprised the identification of other additional relevant terms from the research papers identified in the previous two stages. Again, databases searches were performed with this third set of key words. The final step consisted of the identification of relevant papers from the bibliography of the relevant papers identified in the previous three stages of the literature review process. The set of papers identified as relevant for in-depth analysis were assessed considering a set of relevant characterization variables.

Permeable Reactive Barriers using nanoparticles to remediate nitrate pollution

Nitrat e (NO3 - ) i s per vasi ve i n t he bi ospher e[ 1, 2]. Cont emporar y agri cult ural pr acti ces are a mong t he maj or ant hr opogeni c sources of r eacti ve nitrogen speci es, wher e nitrat ei s t he most abundant of t hese [ 2]. Excessi ve a mount s of r eacti ve nitrogen i n soil s and gr oundwat er ar e creati ng si gnifi cant t hr eat s t o hu man healt h and saf et y [ 3] as well as a host of undesirabl e environment al i mpact s [ 2]; it i s curr ently consi der ed t he second most r el evant environment al i ssue, aft er car bon di oxide e mi ssi ons. Nowadays, a mong t he most r el evant and pr omi si ng appr oaches t o r educe nitrat e concentrati on i n wat er, na mel y gr oundwat er, ar e denitrifi cati on- based pr ocesses [ 4]. Per meabl e r eacti ve barri ers ( PRB) have been pr oven eff ecti ve i n r educi ng vari ous cont ami nant s i n copi ous a mount s, parti cul arl y i n shall ow gr oundwat er [ 5]. However t he possi bl e added eff ecti veness of usi ng nanoparti cl es i n t hese structur es t o obt ai n nitrogen gas from nitrat es requires f urt her i nvesti gati on.

“Green Electrodes” Modified with Au Nanoparticles Synthesized in Glycerol, as Electrochemical Nitrite Sensor

A new environmentally friendly Au nanoparticles (Au NPs) synthesis in glycerol by using ultraviolet irradiation and without extra-added stabilizers is described. The synthesis proposed in this work may impact on the non-polluting production of noble nanoparticles with simple chemicals normally found in standard laboratories. These Au NPs were used to modify a carbon paste electrode (CPE) without having to separate them from the reaction medium. This green electrode was used as an electrochemical sensor for the nitrite detection in water. At the optimum conditions the green sensor presented a linear response in the 2.0×10−7–1.5×10−5 M concentration range, a good detection sensitivity (0.268 A L mol−1), and a low detection limit of 2.0×10−7 M of nitrite. The proposed modified green CPE was used to determine nitrite in tap water samples.

Characterization of green zero-valent iron nanoparticles produced with tree leaf extracts

In the last decades nanotechnology has become increasingly important because it offers indisputable advantages to almost every area of expertise, including environmental remediation. In this area the synthesis of highly reactive nanomaterials (e.g. zero-valent iron nanoparticles, nZVI) is gaining the attention of the scientific community, service providers and other stakeholders. The synthesis of nZVI by the recently developed green bottom-up method is extremely promising. However, the lack of information about the characteristics of the synthetized particles hinders a wider and more extensive application. This work aims to evaluate the characteristics of nZVI synthesized through the green method using leaves from different trees. Considering the requirements of a product for environmental remediation the following characteristics were studied: size, shape, reactivity and agglomeration tendency. The mulberry and pomegranate leaf extracts produced the smallest nZVIs (5–10 nm), the peach, pear and vine leaf extracts produced the most reactive nZVIs while the ones produced with passion fruit, medlar and cherry extracts did not settle at high nZVI concentrations (931 and 266 ppm). Considering all tests, the nZVIs obtained from medlar and vine leaf extracts are the ones that could present better performances in the environmental remediation. The information gathered in this paper will be useful to choose the most appropriate leaf extracts and operational conditions for the application of the green nZVIs in environmental remediation.

The use of nanoparticles in soil and water remediation processes

Environmental nanoremediation of various contaminants has been reported in several recent studies. In this paper, the state of the art on the use of nanoparticles in soil and groundwater remediation processes is presented. There is a substantive body of evidence on the growing and successful application of nanoremediation for a diversity of soil and groundwater contamination contexts, particularly, for heavy metals, other inorganic contaminants, organic contaminants and emerging contaminants, as pharmaceutical and personal care products. This review confirms the competence of the use of nanoparticles in the remediation of contaminated media and the prevalent use of iron based nanoparticles.

A nanopore-based stochastic detection method: Single molecule characterisation of nanoparticles using ()- hemolysin

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Chemistry.

Coupling electrokinetics and iron nanoparticles for the remediation of contaminated soils

Fundação para a Ciência e a Tecnologia - PTDC/AGR-­AAM/101643/2008 NanoDC ; SFRH/BD/76070/2011 ; FP7-­PEOPLE-­IRSES-­2010-­269289-­ ELECTROACROSS

Engineered MRI nanoprobes based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles

This project aimed to engineer new T2 MRI contrast agents for cell labeling based on formulations containing monodisperse iron oxide magnetic nanoparticles (MNP) coated with natural and synthetic polymers. Monodisperse MNP capped with hydrophobic ligands were synthesized by a thermal decomposition method, and further stabilized in aqueous media with citric acid or meso-2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA) through a ligand exchange reaction. Hydrophilic MNP-DMSA, with optimal hydrodynamic size distribution, colloidal stability and magnetic properties, were used for further functionalization with different coating materials. A covalent coupling strategy was devised to bind the biopolymer gum Arabic (GA) onto MNPDMSA and produce an efficient contrast agent, which enhanced cellular uptake in human colorectal carcinoma cells (HCT116 cell line) compared to uncoated MNP-DMSA. A similar protocol was employed to coat MNP-DMSA with a novel biopolymer produced by a biotechnological process, the exopolysaccharide (EPS) Fucopol. Similar to MNP-DMSA-GA, MNP-DMSA-EPS improved cellular uptake in HCT116 cells compared to MNP-DMSA. However, MNP-DMSA-EPS were particularly efficient towards the neural stem/progenitor cell line ReNcell VM, for which a better iron dose-dependent MRI contrast enhancement was obtained at low iron concentrations and short incubation times. A combination of synthetic and biological coating materials was also explored in this project, to design a dynamic tumortargeting nanoprobe activated by the acidic pH of tumors. The pH-dependent affinity pair neutravidin/iminobiotin, was combined in a multilayer architecture with the synthetic polymers poy-L-lysine and poly(ethylene glycol) and yielded an efficient MRI nanoprobe with ability to distinguish cells cultured in acidic pH conditions form cells cultured in physiological pH conditions.

Transfer of ultrasmall iron oxide nanoparticles from human brain-derived endothelial cells to human glioblastoma cells.

Nanoparticles (NPs) are being used or explored for the development of biomedical applications in diagnosis and therapy, including imaging and drug delivery. Therefore, reliable tools are needed to study the behavior of NPs in biological environment, in particular the transport of NPs across biological barriers, including the blood-brain tumor barrier (BBTB), a challenging question. Previous studies have addressed the translocation of NPs of various compositions across cell layers, mostly using only one type of cells. Using a coculture model of the human BBTB, consisting in human cerebral endothelial cells preloaded with ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles (USPIO NPs) and unloaded human glioblastoma cells grown on each side of newly developed ultrathin permeable silicon nitride supports as a model of the human BBTB, we demonstrate for the first time the transfer of USPIO NPs from human brain-derived endothelial cells to glioblastoma cells. The reduced thickness of the permeable mechanical support compares better than commercially available polymeric supports to the thickness of the basement membrane of the cerebral vascular system. These results are the first report supporting the possibility that USPIO NPs could be directly transferred from endothelial cells to glioblastoma cells across a BBTB. Thus, the use of such ultrathin porous supports provides a new in vitro approach to study the delivery of nanotherapeutics to brain cancers. Our results also suggest a novel possibility for nanoparticles to deliver therapeutics to the brain using endothelial to neural cells transfer.

Development and characterization of polymeric nanoparticles(NPs) made from functionalized poly (D,L- lactide) (PLA)polymers

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité.

Polymeric nanoparticles : from microporosity and drug release kinetics to cellular interactions

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

Effect of Polymer Architecture on the Structural and Biophysical Properties of PEG-PLA Nanoparticles

Polymers made of poly(ethylene glycol) chains grafted to poly(lactic acid) chains (PEG-g-PLA) were used to produce stealth drug nanocarriers. A library of comb-like PEG-g-PLA polymers with different PEG grafting densities was prepared in order to obtain nanocarriers with dense PEG brushes at their surface, stability in suspension, and resistance to protein adsorption. The structural properties of nanoparticles (NPs) produced from these polymers by a surfactant-free method were assessed by DLS, zeta potential, and TEM and were found to be controlled by the amount of PEG present in the polymers. A critical transition from a solid NP structure to a soft particle with either a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure was observed when the PEG content was between 15 to 25% w/w. This structural transition was found to have a profound impact on the size of the NPs, their surface charge, their stability in suspension in presence of salts as well as on the binding of proteins to the surface of the NPs. The arrangement of the PEG-g-PLA chains at the surface of the NPs was investigated by 1H NMR and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). NMR results confirmed that the PEG chains were mostly segregated at the NP surface. Moreover, XPS and quantitative NMR allowed quantifying the PEG chain coverage density at the surface of the solid NPs. Concordance of the results between the two methods was found to be remarkable. Physical-chemical properties of the NPs such as resistance to aggregation in saline environment as well as anti-fouling efficacy were related to the PEG surface density and ultimately to polymer architecture. Resistance to protein adsorption was assessed by isothermal titration calorimetry (ITC) using lysozyme. The results indicate a correlation between PEG surface coverage and level of protein interactions. The results obtained lead us to propose such PEG-g-PLA polymers for nanomedecine development as an alternative to the predominant polyester-PEG diblock polymers.