Cytotoxicity studies of organically modified silica-based aerogels

Abstract

Since their discovery, aerogels, especially those made of silica, have revolutionized the world of materials. Thanks to their unique physicochemical properties, these materials are increasingly occupying important positions in different areas, from construction to biomedical applications. Their recent appearance in the consumer's daily life and their high tendency to release nanoparticles when handled are currently raising serious doubts in terms of public health. However, there is still an alarming lack of literature regarding its harmful effects both for the human body and for its structural unit – the cell. In this sense, the main objectives of this work are to help fill in the existing lack of information about the cytotoxic potential of silica aerogels and to evaluate the potential influence on cytotoxicity of the different chemical groups present in aerogels' structure. In order to accomplish all the established objectives, eleven different aerogels were synthesized through the sol-gel methodology coupled with different surface modification and drying techniques, in an attempt to obtain the greatest possible variability in terms of material surface properties and functional groups present in the structure (more specifically: hydroxyl, amine, thiol, vinyl and methyl). Then, for each sample, suspensions with different concentrations of aerogel in cell culture medium were prepared (25, 100, 250, and 500 µg/mL). To evaluate the cytotoxic profile of the samples, cell viability tests were carried out using the Alamar Blue assay. The percentage of cytotoxicity of each sample was determined by analyzing the colorimetric differences detected using UV-Vis spectrophotometry, after a 48 hours incubation period of the 3T3-L1 cell line.From the twenty-two tests conducted, it was concluded that, in general, all the samples showed a remarkably similar cytotoxicity profile, regardless of their chemical composition, therefore it is not possible to draw any specific conclusion about the influence of the different functional groups present. However, throughout the analysis of the results, the influence of other factors became evident, such as: i) the influence of the aerogel’s concentration in the incubation medium, resulting in percentages of cell viability between 70 and 90% for low concentrations (25-100 µg/mL) and between 20 and 55% for higher concentrations (250-500 µg/mL), and ii) the effect of other material properties, such as particle size and surface charge, with a tendency for a slight increase in cytotoxicity, the smaller the nanoparticle and the less negative its surface charge.

Desde a sua descoberta, os aerogéis, especialmente os de sílica, têm vindo a revolucionar o mundo dos materiais. Graças às suas propriedades físico-químicas únicas, estes materiais ocupam posições de relevo em diversas áreas desde a construção civil até à área biomédica. O seu recente aparecimento no quotidiano do consumidor e a sua elevada tendência para libertar nanopartículas aquando do seu manuseamento, levantam dúvidas em termos de segurança para a saúde pública. Todavia, existe ainda uma alarmante falta de literatura no que diz respeito aos seus eventuais efeitos nocivos quer para o corpo humano, quer para a sua unidade estrutural – a célula. Neste sentido, o presente trabalho tem como principais objetivos ajudar a colmatar a falta de informação existente acerca do potencial citotóxico dos aerogéis de sílica e avaliar a influência da composição química e propriedades dos aerogéis na sua possível citotoxicidade.Para cumprir com todos os objetivos estabelecidos, onze aerogéis diferentes foram sintetizados através da metodologia sol-gel acoplada a diferentes técnicas de modificação de superfície e secagem, na tentativa de obter a maior variabilidade possível em termos das propriedades de superficie destes materiais e dos grupos funcionais presentes na estrutura (mais concretamente: hidroxilo, amina, tiol, vinil e metilo). De seguida, para cada uma das amostras, foram preparadas suspensões com diferentes concentrações de aerogel em meio de cultura celular (25, 100, 250 e 500 µg/mL). Para avaliar o perfil citotóxico das amostras, foram realizados testes de viabilidade celular, utilizando o ensaio de Alamar Blue, determinando-se a percentagem de citotoxicidade de cada amostra através das diferenças colorimétricas detetadas por espetrofotometria de UV-Vis, após períodos de incubação de 48 horas com a linha celular 3T3-L1.Dos vinte e dois testes realizados conclui-se que, de uma forma geral, todas as amostras apresentaram um perfil de citotoxicidade bastante semelhante, independentemente da sua composição química, não sendo por isso possível retirar nenhuma conclusão concreta acerca da influência dos diferentes grupos funcionais presentes. No entanto, ao longo da análise, tornou- se evidente a influência de outros fatores como: i) a concentração do aerogel no meio de incubação, resultando em percentagem de viabilidade celular entre os 70 e os 90% para concentrações baixas (25-100 µg/mL) e entre os 20 e 55% para concentrações mais elevadas (250-500 µg/mL), e ii) o efeito de outras propriedades dos materiais, como o tamanho de partícula e a carga superficial, existindo uma tendência de aumento ligeiro de citotoxicidade com a diminuição do tamanho da nanopartícula e menos negativa a sua carga superficial.