The urgent need for toxicological studies on carbon nanotubes (CNTs) has arisen from the rapidly emerging applications of CNTs well beyond material science and engineering. In order to provide a basis for comparison to existing epidemiological data, we have investigated CNTs at various degrees of agglomeration using an in vitro cytotoxicity study with human MSTO-211H cells. Non-cytotoxic polyoxyethylene sorbitan monooleate was found to well-disperse CNT. In the present study, the cytotoxic effects of well-dispersed CNT were compared with that of conventionally purified rope-like agglomerated CNTs and asbestos as a reference. While suspended CNT-bundles were less cytotoxic than asbestos, rope-like agglomerates induced more pronounced cytotoxic effects than asbestos fibres at the same concentrations. The study underlines the need for thorough materials characterization prior to toxicological studies and corroborates the role of agglomeration in the cytotoxic effect of nanomaterials.

Quantitative studies on the uptake of nanoparticles into biological systems should consider simultaneous agglomera tion, sedimentation, and diffusion at physiologically relevant concentrations to assess the corresponding risks of nanomaterials to human health. In this paper, the transport and uptake of industrially important cerium oxide nanoparticles, into human lung fibroblasts is measured in vitro after exposing thoroughly characterized particle suspensions to a fibroblast cell culture for particles of four separate size fractions and concentrations ranging from 100 ng g-1 to 100 μg g-1 of fluid (100 ppb to 100 ppm). The unexpected findings at such low but physiologically relevant concentrations reveal a strong dependence of the amount of incorporated ceria on particle size, while nanoparticle number density or total particle surface area are of minor importance. These findings can be explained on the basis of a purely physical model. The rapid formation of agglomerates in the liquid is strongly favored for small particles due to a high number density while larger ones stay mainly unagglomerated. Diffusion (size fraction 25−50 nm) or sedimentation (size fraction 250−500 nm) limits the transport of nanoparticles to the fibroblast cells. The biological uptake processes on the surface of the cell are faster than the physical transport to the cell at such low concentrations. Comparison of the colloid stability of a series of oxide nanoparticles reveals that untreated oxide suspensions rapidly agglomerate in biological fluids and allows the conclusion that the presented transport and uptake kinetics at low concentrations may be extended to other industrially relevant materials.

The rapidly increasing production of engineered nanoparticles has created a demand for particle removal from industrial and communal wastewater streams. Efficient removal is particularly important in view of increasing long-term persistence and evidence for considerable ecotoxicity of specific nanoparticles. The present work investigates the use of a model wastewater treatment plant for removal of oxide nanoparticles. While a majority of the nanoparticles could be captured through adhesion to clearing sludge, a significant fraction of the engineered nanoparticles escaped the wastewater plant's clearing system, and up to 6 wt % of the model compound cerium oxide was found in the exit stream of the model plant. Our study demonstrates a significant influence of surface charge and the addition of dispersion stabilizing surfactants as routinely used in the preparation of nanoparticle derived products. A detailed investigation on the agglomeration of oxide nanoparticles in wastewater streams revealed a high stabilization of the particles against clearance (adsorption on the bacteria from the sludge). This unexpected finding suggests a need to investigate nanoparticle clearance in more detail and demonstrates the complex interactions between dissolved species and the nanoparticles within the continuously changing environment of the clearing sludge.

Metal nanoparticles have distinctly different chemical and physical properties than currently investigated oxides. Since pure metallic nanoparticles are igniting at air, carbon stabilized copper nanoparticles were used as representative material for this class. Using copper as a representative example, we compare the cytotoxicity of copper metal nanoparticles stabilized by a carbon layer to copper oxide nanoparticles using two different cell lines. Keeping the copper exposure dose constant, the two forms of copper showed a distinctly different response. Whilst copper oxide had already been reported to be highly cytotoxic, carbon-coated copper nanoparticles were much less cytotoxic and more tolerated. Measuring the two material's intra- and extracellular solubility in model buffers explained this difference on the basis of altered copper release when supplying copper metal or the corresponding oxide particles to the cells. Control experiments using pure carbon nanoparticles were used to exclude significant surface effects. Reference experiments with ionic copper solutions confirmed a similar response of cultures if exposed to copper oxide nanoparticles or ionic copper. These observations are in line with a Trojan horse-type mechanism and illustrate the dominating influence of physico-chemical parameters on the cytotoxicity of a given metal.

Angewandte Chemie International EditionVolume 46, Issue 26 p. 4909-4912 Communication Covalently Functionalized Cobalt Nanoparticles as a Platform for Magnetic Separations in Organic Synthesis† Robert N. Grass Dipl.-Chem. Ing., Robert N. Grass Dipl.-Chem. Ing. Institute for Chemical and Bioengineering, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, Wolfgang-Pauli-Strasse 10, 8093 Zurich, Switzerland, Fax: (+41) 44-633-1083 http://www.fml.ethz.chSearch for more papers by this authorEvagelos K. Athanassiou Dipl.-Chem. Ing., Evagelos K. Athanassiou Dipl.-Chem. Ing. Institute for Chemical and Bioengineering, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, Wolfgang-Pauli-Strasse 10, 8093 Zurich, Switzerland, Fax: (+41) 44-633-1083 http://www.fml.ethz.chSearch for more papers by this authorWendelin J. Stark Prof. Dr., Wendelin J. Stark Prof. Dr. [email protected] Institute for Chemical and Bioengineering, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, Wolfgang-Pauli-Strasse 10, 8093 Zurich, Switzerland, Fax: (+41) 44-633-1083 http://www.fml.ethz.chSearch for more papers by this author Robert N. Grass Dipl.-Chem. Ing., Robert N. Grass Dipl.-Chem. Ing. Institute for Chemical and Bioengineering, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, Wolfgang-Pauli-Strasse 10, 8093 Zurich, Switzerland, Fax: (+41) 44-633-1083 http://www.fml.ethz.chSearch for more papers by this authorEvagelos K. Athanassiou Dipl.-Chem. Ing., Evagelos K. Athanassiou Dipl.-Chem. Ing. Institute for Chemical and Bioengineering, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, Wolfgang-Pauli-Strasse 10, 8093 Zurich, Switzerland, Fax: (+41) 44-633-1083 http://www.fml.ethz.chSearch for more papers by this authorWendelin J. Stark Prof. Dr., Wendelin J. Stark Prof. Dr. [email protected] Institute for Chemical and Bioengineering, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, Wolfgang-Pauli-Strasse 10, 8093 Zurich, Switzerland, Fax: (+41) 44-633-1083 http://www.fml.ethz.chSearch for more papers by this author First published: 15 June 2007 https://doi.org/10.1002/anie.200700613Citations: 292 † The authors would like to thank Prof. Jörg F. Löffler and Giovanni Mastrogiacomo for magnetic hysteresis measurements and the research group of Prof. René Peters for helpful discussions. Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onEmailFacebookTwitterLinkedInRedditWechat Graphical Abstract Synthesis in a day! Carbon-coated metal nanoparticles can be covalently functionalized by diazonium chemistry. These colloidal reagents can now serve as a basis to magnetically functionalize molecules during synthesis, enabling their recovery within seconds. Supporting Information Supporting information for this article is available on the WWW under http://www.wiley-vch.de/contents/jc_2002/2007/z700613_s.pdf or from the author. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article. References 1S. C. Tsang, V. Caps, I. Paraskevas, D. Chadwick, D. Thompsett, Angew. Chem. 2004, 116, 5763; 10.1002/ange.200460552 Google ScholarAngew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 5645. 10.1002/anie.200460552 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 2C. C. Berry, A. S. G. Curtis, J. Phys. D 2003, 36, R 198. CASWeb of Science®Google Scholar 3Q. A. Pankhurst, J. Connolly, S. K. Jones, J. Dobson, J. Phys. D 2003, 36, R 167. 10.1088/0022-3727/36/13/201 CASWeb of Science®Google Scholar 4H. W. Gu, K. M. Xu, C. J. Xu, B. Xu, Chem. Commun. 2006, 941. 10.1039/b514130c CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 5A. K. Gupta, M. Gupta, Biomaterials 2005, 26, 3995. 10.1016/j.biomaterials.2004.10.012 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 6M. Franzreb, M. Siemann-Herzberg, T. J. Hobley, O. R. T. Thomas, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2006, 70, 505. 10.1007/s00253-006-0344-3 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 7A. H. Lu, E. L. Salabas, F. Schüth, Angew. Chem. 2007, 119, 1242; 10.1002/ange.200602866 Web of Science®Google ScholarAngew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 1222. 10.1002/anie.200602866 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 8L. Y. Wang, J. Bao, L. Wang, F. Zhang, Y. D. Li, Chem. Eur. J. 2006, 12, 6341. 10.1002/chem.200501334 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 9H. Lee, E. Lee, D. K. Kim, N. K. Jang, Y. Y. Jeong, S. Jon, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7383. 10.1021/ja061529k CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 10S. Bucak, D. A. Jones, P. E. Laibinis, T. A. Hatton, Biotechnol. Prog. 2003, 19, 477. 10.1021/bp0200853 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 11R. B. Merrifield, J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 2149. 10.1021/ja00897a025 CASWeb of Science®Google Scholar 12X. Gao, K. M. K. Yu, K. Y. Tam, S. C. Tsang, Chem. Commun. 2003, 2998. 10.1039/b310435d CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 13T. Sen, A. Sebastianelli, I. J. Bruce, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7130. 10.1021/ja061393q CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 14I. S. Lee, N. Lee, J. Park, B. H. Kim, Y. W. Yi, T. Kim, T. K. Kim, I. H. Lee, S. R. Paik, T. Hyeon, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 10658. 10.1021/ja063177n CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 15C. J. Xu, K. M. Xu, H. W. Gu, R. K. Zheng, H. Liu, X. X. Zhang, Z. H. Guo, B. Xu, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 9938. 10.1021/ja0464802 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 16M. Chen, S. Yamamuro, D. Farrell, S. A. Majetich, J. Appl. Phys. 2003, 93, 7551. 10.1063/1.1555312 CASWeb of Science®Google Scholar 17J. Nishijo, C. Okabe, O. Oishi, N. Nishi, Carbon 2006, 44, 2943. 10.1016/j.carbon.2006.05.037 CASWeb of Science®Google Scholar 18A. H. Lu, W. C. Li, N. Matoussevitch, B. Spliethoff, H. Bönnemann, F. Schüth, Chem. Commun. 2005, 98. 10.1039/B414146F CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 19M. A. Zalich, V. V. Baranauskas, J. S. Riffle, M. Saunders, T. G. S. Pierre, Chem. Mater. 2006, 18, 2648. 10.1021/cm051346h CASWeb of Science®Google Scholar 20W. S. Seo, J. H. Lee, X. M. Sun, Y. Suzuki, D. Mann, Z. Liu, M. Terashima, P. C. Yang, M. V. McConnell, D. G. Nishimura, H. J. Dai, Nat. Mater. 2006, 5, 971. 10.1038/nmat1775 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 21Y. W. Ma, Z. Hu, L. S. Yu, Y. M. Hu, B. Yue, X. Z. Wang, Y. Chen, Y. N. Lu, Y. Liu, J. H. Hu, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20118. 10.1021/jp062957f CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 22S. E. Pratsinis, Prog. Energy Combust. Sci. 1998, 24, 197. 10.1016/S0360-1285(97)00028-2 CASWeb of Science®Google Scholar 23R. N. Grass, W. J. Stark, J. Mater. Chem. 2006, 16, 1825. 10.1039/b601013j CASWeb of Science®Google Scholar 24R. N. Grass, W. J. Stark, Chem. Commun. 2005, 1767. 10.1039/b419099h CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 25P. J. Dekkers, S. K. Friedlander, J. Colloid Interface Sci. 2002, 248, 295. 10.1006/jcis.2002.8212 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 26R. Pauthenet, J. Appl. Phys. 1982, 53, 8187. 10.1063/1.330287 CASWeb of Science®Google Scholar 27A. Hirsch, Angew. Chem. 2002, 114, 1933; 10.1002/1521-3757(20020603)114:11<1933::AID-ANGE1933>3.0.CO;2-R Google ScholarAngew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1853. 10.1002/1521-3773(20020603)41:11<1853::AID-ANIE1853>3.0.CO;2-N CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 28N. Tsubokawa, Prog. Polym. Sci. 1992, 17, 417. 10.1016/0079-6700(92)90021-P CASWeb of Science®Google Scholar 29C. A. Dyke, J. M. Tour, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 11151. 10.1021/jp046274g CASWeb of Science®Google Scholar 30J. A. Belmont, US patent 5554739, 1996. Google Scholar 31E. Pretsch, P. Bühlmann, C. Affolter, M. Badertscher, in Spektroskopische Daten zur Strukturaufklärung organischer Verbindungen, Springer, Berlin, 2001. 10.1007/978-3-662-09972-8 Google Scholar 32C. A. Dyke, M. P. Stewart, F. Maya, J. M. Tour, Synlett 2004, 155. CASWeb of Science®Google Scholar 33S. E. Stein in NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69 (Eds: ), National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2005. Google Scholar 34C. A. Dyke, J. M. Tour, Nano Lett. 2003, 3, 1215. 10.1021/nl034537x CASWeb of Science®Google Scholar 35M. A. McLaughlin, D. M. Barnes, Tetrahedron Lett. 2006, 47, 9095. 10.1016/j.tetlet.2006.10.079 CASWeb of Science®Google Scholar Citing Literature Volume46, Issue26June 25, 2007Pages 4909-4912 ReferencesRelatedInformation

ABSTRACT Synthetic DNA has been proposed as a storage medium for digital information due to its high theoretical storage density and anticipated long storage horizons. However, under all ambient storage conditions, DNA undergoes a slow chemical decay process resulting in nicked (broken) DNA strands, and the information stored in these strands is no longer readable. In this work we design an enzymatic repair procedure, which is applicable to the DNA pool prior to readout and can partially reverse the damage. Through a chemical understanding of the decay process, an overhang at the 3’ end of the damaged site is identified as obstructive to repair via the base excision-repair (BER) mechanism. The obstruction can be removed via the enzyme apurinic/apyrimidinic endonuclease I (APE1), thereby enabling repair of hydrolytically damaged DNA via Bst polymerase and Taq ligase. Simulations of damage and repair reveal the benefit of the enzymatic repair step for DNA data storage, especially when data is stored in DNA at high storage densities (= low physical redundancy) and for long time durations.

Abstract The presence of donor-specific antibodies (DSA) such as antibodies directed against donor class I human leucocyte antigen (e.g., HLA-A) is a major barrier to kidney transplant success. As a proof of concept, functionalized magnetic nanoparticles have been designed to eliminate DSA from saline, blood and plasma of healthy donors and sensitized patients. Specific HLA-A1 protein was covalently bound to functionalized cobalt nanoparticles (fNP), human serum albumin (HSA) as control. fNP were added to anti-HLA class I-spiked saline, spiked volunteers’ whole blood, and to whole blood and plasma of sensitized patients ex vivo . Anti-HLA-A1 antibody levels were determined with Luminex technology. Antibodies' median fluorescent intensity (MFI) was defined as the primary outcome. Furthermore, the impact of fNP treatment on blood coagulation and cellular uptake was determined. Treatment with fNP reduced MFI by 97 ± 2% and by 94 ± 4% ( p < 0.001 and p = 0.001) in spiked saline and whole blood, respectively. In six known sensitized anti-HLA-A1 positive patients, a reduction of 65 ± 26% ( p = 0.002) in plasma and 65 ± 33% ( p = 0.012) in whole blood was achieved. No impact on coagulation was observed. A minimal number of nanoparticles was detected in peripheral mononuclear blood cells. The study demonstrates—in a first step—the feasibility of anti-HLA antibody removal using fNP. These pilot data might pave the way for a new personalized DSA removal technology in the future.

Abstract Archiving data in synthetic DNA offers unprecedented storage density and longevity. Handling and storage introduce errors and biases into DNA-based storage systems, necessitating the use of Error Correction Coding (ECC) which comes at the cost of added redundancy. However, insufficient data on these errors and biases, as well as a lack of modelling tools, limit data-driven ECC development and experimental design. In this study, we present a comprehensive characterisation of the error sources and biases present in the most common DNA data storage workflows, including commercial DNA synthesis, PCR, decay by accelerated aging, and sequencing-by-synthesis. Using the data from 40 sequencing experiments, we build a digital twin of the DNA data storage process, capable of simulating state-of-the-art workflows and reproducing their experimental results. We showcase the digital twin’s ability to replace experiments and rationalize the design of redundancy in two case studies, highlighting opportunities for tangible cost savings and data-driven ECC development.