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

2024-03-10T13:58:52Z

dc.date.available

2024-03-10T13:58:52Z

dc.date.issued

2022-12-21

dc.description - en

Health Canada is responsible for regulating consumer and industrial products containing engineered nanomaterials (ENMs). Research funded by the Chemicals Management Plan is contributing to international efforts to evaluate the potential health risks posed by ENMs. The objective of this study is to investigate dissolution behaviour of three metal oxide ENMs: copper (II) oxide (CuO), nickel (II) oxide (NiO), titanium dioxide (TiO2). These metal oxides were selected based on their importance in consumer products and industrial applications in Canada. The dissolution tests were conducted in water and cell culture medium relevant for toxicology assays. The results showed that the solubility of the metal oxides decreased in the order CuO > NiO > TiO2, and that the solubility of each of the investigated ENMs was significantly higher than that of its traditional macro-scale counterpart, in both aqueous media. However, the metal oxide ENMs responded differently to the two aqueous media when comparing their solubility using low (10 mg/L) versus high (100 mg/L) initial concentration. In cell culture medium, nano-CuO and nano-NiO were more soluble at the higher initial concentration, whereas nano-TiO2 was less soluble at the higher initial concentration. In water, the opposite trend was observed. These results show the importance of evaluating the solubility of ENMs in biologically-relevant fluids at concentrations that correspond to toxicity assays, for the purpose of hazard assessment. This research has provided new information on the physical and chemical characteristics of ENMs currently in commerce in Canada, and has developed techniques that will contribute to the development of standardized solubility testing and screening approaches.

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 fabriqués à partir d'oxydes métalliques (ENM) sont étroitement liés à leurs propriétés physico-chimiques distinctes, en particulier leur solubilité et leur réactivité de surface. La présente étude a utilisé cinq ENM d'oxyde métallique (ZnO, MnO2, CeO2, Al2O3 et Fe2O3) pour étudier comment divers milieux biologiquement pertinents influencent le comportement de dissolution. Dans l'eau et dans le milieu de culture cellulaire (DMEM), les ENM à base d'oxyde métallique étaient plus solubles que leurs analogues en vrac, à l'exception du fait que le MnO2 en vrac était légèrement plus soluble dans l'eau que le nano-MnO2 et que le Fe2O3 présentait une solubilité négligeable dans tous les milieux testés. (quelle que soit la taille des particules). La diminution de la concentration initiale (10 mg/L contre 100 mg/L) a augmenté de manière significative la solubilité relative (% de la concentration totale) du nano-ZnO et du nano-MnO2 dans l'eau et le DMEM. Le nano-Al2O3 et le nano-CeO2 ont été impactés 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 approfondie du liquide pulmonaire interstitiel simulé (solution de Gamble) et du liquide simulant phagolysosomal (PSF) a montré que la sélection des milieux 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 celle de Gamble (pH 7,4), attribuable à la présence d’acides aminés et de protéines dans le DMEM. Tous les ENM ont montré une faible solubilité dans Gamble (pH = 7,4) par rapport au PSF (pH = 4,5), attribuable à la différence de pH. Ces observations sont pertinentes pour la nanotoxicologie, car la solubilité accrue des nanomatériaux affecte également la toxicité. Les résultats ont démontré que, aux fins des efforts de regroupement et de lecture croisée, le comportement de dissolution des ENM à base d'oxydes métalliques devrait être évalué à l'aide de milieux aqueux représentatifs de la voie d'exposition considérée.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de la réglementation des produits de consommation et industriels contenant des nanomatériaux manufacturés (ENM). La recherche financée par le Plan de gestion des produits chimiques contribue aux efforts internationaux visant à évaluer les risques potentiels pour la santé posés par les ENM. L'objectif de cette étude est d'étudier le comportement de dissolution de trois ENM d'oxydes métalliques : l'oxyde de cuivre (II) (CuO), l'oxyde de nickel (II) (NiO), le dioxyde de titane (TiO2). 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 réalisés dans de l'eau et dans un milieu de culture cellulaire pertinent pour les tests toxicologiques. Les résultats ont montré que la solubilité des oxydes métalliques diminuait dans l'ordre CuO > NiO > TiO2, et que la solubilité de chacun des ENM étudiés était significativement supérieure à celle de son homologue traditionnel à l'échelle macro, dans les deux milieux aqueux. Cependant, les ENM d'oxyde métallique ont réagi différemment aux deux milieux aqueux lorsque l'on compare leur solubilité en utilisant une concentration initiale faible (10 mg/L) par rapport à une concentration initiale élevée (100 mg/L). Dans le milieu de culture cellulaire, le nano-CuO et le nano-NiO étaient plus solubles à la concentration initiale la plus élevée, alors que le nano-TiO2 était moins soluble à la concentration initiale la plus élevée. Dans l’eau, la tendance inverse a été observée. Ces résultats montrent l'importance d'évaluer la solubilité des ENM dans des fluides biologiquement pertinents à des concentrations qui correspondent aux tests de toxicité, aux fins de l'évaluation des dangers. Cette recherche a fourni de nouvelles informations sur les caractéristiques physiques et chimiques des ENM actuellement commercialisés au Canada et a développé des techniques qui contribueront au développement d'approches standardisées d'essai et de sélection de solubilité.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.3390/ nano13010026

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2054

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

dc.type - en

Article

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