Dissolution Behaviour of Metal-Oxide Nanomaterials in Various Biological Media

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dc.contributor.author

Avramescu, Mary-Luyza

Chénier, Marc

Beauchemin, Suzanne

Rasmussen, Pat

dc.date.accessioned

2023-06-11T22:44:55Z

dc.date.available

2023-06-11T22:44:55Z

dc.date.issued

2022-12-21

dc.description - en

Health Canada is responsible for regulating consumer and industrial products containing engineered nanomaterials (ENMs). Funded by Health Canada’s Chemicals Management Plan, the present study investigated how various biologically-relevant media influenced dissolution behaviour of five metal-oxide ENMs: zinc (II) oxide (ZnO), manganese (IV) oxide (MnO2), cerium (IV) oxide (CeO2), aluminum oxide (Al2O3), and iron (III) oxide (Fe2O3). These metal oxides were selected based on their importance in consumer products and industrial applications in Canada. The dissolution tests were conducted in water, cell culture medium relevant for toxicology assays (DMEM), and two simulated lung fluids (simulated interstitial lung fluid and phagolysosomal simulant fluid). The results showed that in both water and cell culture medium, the metal-oxide ENMs were more soluble than their bulk analogues with the exception that bulk-MnO2 was slightly more soluble in water than nano-MnO2. Fe2O3 displayed negligible solubility across all tested media (regardless of particle size). Lowering the initial concentration significantly increased solubility of nano-ZnO and nano-MnO2 in both water and DMEM. All tested ENMs showed low solubility in simulated interstitial lung fluid (pH 7.4) compared with phagolysosomal simulant fluid (pH 4.5), attributable to the difference in pH. Their lower solubility in simulated interstitial lung fluid compared with cell culture medium (pH 7.4) was attributed to the presence of aminoacids and proteins in DMEM. These results are relevant to nanotoxicology as increased nanomaterial solubility also affects toxicity. This research demonstrates that, for the purpose of grouping and read-across efforts, dissolution behaviour of metal oxide ENMs should be evaluated using aqueous media representative of the exposure pathway being considered. The results contribute to international efforts to evaluate the potential health risks posed by ENMs.

dc.description.abstract - en

Toxicological effects of metal-oxide-engineered nanomaterials (ENMs) are closely related to their distinct physical–chemical properties, especially solubility and surface reactivity. The present study used five metal-oxide ENMs (ZnO, MnO2, CeO2, Al2O3, and Fe2O3) to investigate how various biologically relevant media influenced dissolution behaviour. In both water and cell culture medium (DMEM), the metal-oxide ENMs were more soluble than their bulk analogues, with the exception that bulk-MnO2 was slightly more soluble in water than nano-MnO2 and Fe2O3 displayed negligible solubility across all tested media (regardless of particle size). Lowering the initial concentration (10 mg/L vs. 100 mg/L) significantly increased the relative solubility (% of total concentration) of nano-ZnO and nano-MnO2 in both water and DMEM. Nano-Al2O3 and nano-CeO2 were impacted differently by the two media (significantly higher % solubility at 10 mg/L in DMEM vs. water). Further evaluation of simulated interstitial lung fluid (Gamble’s solution) and phagolysosomal simulant fluid (PSF) showed that the selection of aqueous media significantly affected agglomeration and dissolution behaviour. The solubility of all investigated ENMs was significantly higher in DMEM (pH = 7.4) compared to Gamble’s (pH 7.4), attributable to the presence of amino acids and proteins in DMEM. All ENMs showed low solubility in Gamble’s (pH = 7.4) compared with PSF (pH = 4.5), attributable to the difference in pH. These observations are relevant to nanotoxicology as increased nanomaterial solubility also affects toxicity. The results demonstrated that, for the purpose of grouping and read-across efforts, the dissolution behaviour of metal-oxide ENMs should be evaluated using aqueous media representative of the exposure pathway being considered.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Les effets toxicologiques des nanomatériaux élaborés à partir d'oxydes métalliques (ENM) sont étroitement liés à leurs propriétés physico-chimiques distinctes, en particulier la solubilité et la réactivité de surface. La présente étude a utilisé cinq ENM à base d'oxydes métalliques (ZnO, MnO2, CeO2, Al2O3 et Fe2O3) pour étudier l'influence de différents milieux biologiquement pertinents sur le comportement de dissolution. Dans l'eau et dans le milieu de culture cellulaire (DMEM), les ENM à base d'oxydes métalliques étaient plus solubles que leurs analogues en vrac, à l'exception du MnO2 en vrac qui était légèrement plus soluble dans l'eau que le nano-MnO2 et du Fe2O3 qui présentait une solubilité négligeable dans tous les milieux testés (quelle que soit la taille des particules). L'abaissement de la concentration initiale (10 mg/L vs. 100 mg/L) a significativement augmenté la solubilité relative (% de la concentration totale) du nanoZnO et du nano-MnO2 à la fois dans l'eau et dans le DMEM. Les nano-Al2O3 et nano-CeO2 ont été influencés différemment par les deux milieux (% de solubilité significativement plus élevé à 10 mg/L dans le DMEM par rapport à l'eau). Une évaluation plus poussée du liquide pulmonaire interstitiel simulé (solution de Gamble) et du liquide phagolysosomal simulant (PSF) a montré que le choix du milieu aqueux affectait de manière significative le comportement d'agglomération et de dissolution. La solubilité de tous les ENM étudiés était significativement plus élevée dans le DMEM (pH = 7,4) que dans la solution de Gamble (pH 7,4), ce qui s'explique par la présence d'acides aminés et de protéines dans le DMEM. Tous les ENM ont montré une faible solubilité dans le Gamble's (pH = 7,4) par rapport au PSF (pH = 4,5), ce qui s'explique par la différence de pH. Ces observations sont pertinentes pour la nanotoxicologie, car l'augmentation de la solubilité des nanomatériaux influe également sur la toxicité. Les résultats ont démontré que, dans le but de regrouper les efforts et de procéder à des comparaisons, le comportement de dissolution des ENM à base d'oxydes métalliques devrait être évalué en utilisant des milieux aqueux représentatifs de la voie d'exposition envisagée.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est chargé de réglementer les produits de consommation et les produits industriels contenant des nanomatériaux manufacturés (ENM). Financée par le Plan de gestion des produits chimiques de Santé Canada, la présente étude a examiné l'influence de divers milieux biologiquement pertinents sur le comportement de dissolution de cinq ENM à base d'oxydes métalliques : oxyde de zinc (II) (ZnO), oxyde de manganèse (IV) (MnO2), oxyde de cérium (IV) (CeO2), oxyde d'aluminium (Al2O3) et oxyde de fer (III) (Fe2O3). Ces oxydes métalliques ont été sélectionnés en fonction de leur importance dans les produits de consommation et les applications industrielles au Canada. Les tests de dissolution ont été effectués dans l'eau, dans un milieu de culture cellulaire pertinent pour les essais toxicologiques (DMEM) et dans deux liquides pulmonaires simulés (liquide pulmonaire interstitiel simulé et liquide phagolysosomal simulé). Les résultats ont montré que dans l'eau et dans le milieu de culture cellulaire, les ENM à base d'oxydes métalliques étaient plus solubles que leurs analogues en vrac, à l'exception du MnO2 en vrac qui était légèrement plus soluble dans l'eau que le nano-MnO2. Le Fe2O3 présentait une solubilité négligeable dans tous les milieux testés (quelle que soit la taille des particules). L'abaissement de la concentration initiale a augmenté de manière significative la solubilité du nanoZnO et du nano-MnO2 dans l'eau et dans le DMEM. Tous les ENM testés ont montré une faible solubilité dans le liquide pulmonaire interstitiel simulé (pH 7,4) par rapport au liquide phagolysosomal simulé (pH 4,5), ce qui s'explique par la différence de pH. Leur solubilité plus faible dans le liquide pulmonaire interstitiel simulé par rapport au milieu de culture cellulaire (pH 7,4) a été attribuée à la présence d'aminoacides et de protéines dans le DMEM. Ces résultats sont pertinents pour la nanotoxicologie, car l'augmentation de la solubilité des nanomatériaux influe également sur la toxicité. Cette recherche démontre qu'à des fins de regroupement et d'harmonisation, le comportement de dissolution des ENM à base d'oxyde métallique doit être évalué en utilisant des milieux aqueux représentatifs de la voie d'exposition considérée. Les résultats contribuent aux efforts internationaux visant à évaluer les risques potentiels pour la santé posés par les ENM.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.3390/nano13010026

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/661

dc.language.iso

en

dc.publisher

MDPI

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

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Dissolution Behaviour of Metal-Oxide Nanomaterials in Various Biological Media

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Article

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