Wear debris from metal on polyethylene joint replacements causes asceptic loosening as a result of an inflammatory reaction of macrophages to micron-sized particles. Metal on metal implants, which generate nanoparticles, have been reintroduced into surgical practise in order to avoid this problem. There is a current concern about possible long-term effects of exposure to metal particles. In this study, the cytotoxic and genotoxic effects of nanoparticles and micron-sized particles of cobalt chrome alloy have been compared using human fibroblasts in tissue culture. Nanoparticles, which caused more free radicals in an acellular environment, induced more DNA damage than micron-sized particles using the alkaline comet assay. They induced more aneuploidy and more cytotoxicity at equivalent volumetric dose. Nanoparticles appeared to disintegrate within the cells faster than microparticles with the creation of electron dense deposits in the cell, which were enriched in cobalt. The mechanism of cell damage appears to be different after exposure to nanoparticles and microparticles. The concept of nanotoxicology is, therefore, an important consideration in the design of future surgical devices.

We report the direct synthesis of cerium oxide nanoparticles (CNPs) in polyethylene glycol (PEG) based solutions with efficient radical scavenging properties. Synthesis of CNPs in PEG demonstrated a concentration dependent (of PEG) redox activity characterized by UV−visible spectroscopy. PEGylated CNPs acted as efficient radical scavengers, and superoxide dismutase (SOD) activity of CNPs synthesized in various concentration of PEG did not reduce compared to bare nanoceria. In addition to superoxide, PEGylated nanoceria demonstrated quenching of peroxide radicals as well. It was observed that the reaction with hydrogen peroxide leads to the formation of a charge transfer complex governed by the concentration of PEG. The stability of the charge transfer complex provides the tunable oxidation state of CNPs. The stability of this complex influences the regenerative capacity of the active 3+ oxidation state of CNPs. The cell viability as well as SOD activity of PEGylated CNPs is compared to those of bare CNPs, and the differences are outlined.

Cerium oxide nanoparticles (CeNPs) have shown promise as catalytic antioxidants in cell culture and animal models as both superoxide dismutase and catalase mimetics. The reactivity of the cerium (Ce) atoms at the surface of its oxide particle is critical to such therapeutic properties, yet little is known about the potential for a protein or small molecule corona to form on these materials in vivo. Moreover Ce atoms in these active sites have the potential to interact with small molecule anions, peptides, or sugars when administered in culture or animal models. Several nanomaterials have been shown to alter or aggregate under these conditions, rendering them less useful for biomedical applications. In this work we have studied the change in catalytic properties of CeNPs when exposed to various biologically relevant conditions in vitro. We have found that CeNPs are resistant to broad changes in pH and also not altered by incubation in cell culture medium. However to our surprise phosphate anions significantly altered the characteristics of these nanomaterials and shifted the catalytic behavior due to the binding of phosphate anions to cerium. Given the abundance of phosphate in biological systems in an inorganic form, it is likely that the action of CeNPs as a catalyst may be strongly influenced by the local concentration of phosphate in the cells and/or tissues in which it has been introduced.

There has been significant progress in the biological synthesis of nanomaterials. However, the molecular mechanism of synthesis of such bio-nanomaterials remains largely unknown. Here, we report the extracellular synthesis of crystalline silver nanoparticles (AgNPs) by using Morganella sp., and show molecular evidence of silver resistance by elucidating the synthesis mechanism. The AgNPs were 20+/-5 nm in diameter and were highly stable at room temperature. The kinetics of AgNPs formation was investigated. Detectable particles were formed after an hour of reaction, and their production remained exponential up to 18 h, and saturated at 24 h. Morganella sp. was found to be highly resistant to silver cations and was able to grow in the presence of more than 0.5 mM AgNO(3). Three gene homologues viz. silE, silP and silS were identified in silver-resistant Morganella sp. The homologue of silE from Morganella sp. showed 99 % nucleotide sequence similarity with the previously reported gene, silE, which encodes a periplasmic silver-binding protein. The homologues of silP and silS were also highly similar to previously reported sequences. Similar activity was totally absent in closely related Escherichia coli; this suggests that a unique mechanism of extracellular AgNPs synthesis is associated with silver-resistant Morganella sp. The molecular mechanism of silver resistance and its gene products might have a key role to play in the overall synthesis process of AgNPs by Morganella sp. An understanding of such biochemical mechanisms at the molecular level might help in developing an ecologically friendly and cost-effective protocol for microbial AgNPs synthesis.

Abstract Cerium oxide nanoparticles have oxygen defects in their lattice structure that enables them to act as a regenerative free radical scavenger in a physiological environment. We performed a comprehensive in vivo analysis of the biological distribution and antioxidant capabilities of nanoceria administered to mice perorally (PO), intravenously (IV), or intraperitoneally (IP) by dosing animals weekly for 2 or 5 weeks with 0.5 mg kg −1 nanoceria. Next, we examined if nanoceria administration would decrease ROS production in mice treated with carbon tetrachloride (CCl 4 ). Our results showed that the most extensive and cumulative nano‐deposition was via IV and IP administered while PO administration showed mice excreted greater than 95% of their nanoceria within 24 h. Organ deposition for IV and IP mice was greatest in the spleen followed by the liver, lungs, and kidneys. Elimination for all administration routes was through feces. Nanoceria administration showed no overt toxicity, however, WBC counts were elevated with IV and IP administration. Our in vivo studies show that nanoceria administration to mice with induced liver toxicity (by CCl 4 ) showed similar findings to mice treated with N ‐acetyl cystine (NAC), a common therapeutic to reduce oxidative stress. Taken together, our studies show that nanoceria remains deposited in tissues and may decrease ROS, thereby suggesting that cerium oxide nanoparticles may be a useful antioxidant treatment for oxidative stress. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Environ Toxicol 2013.