Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · BIOMEDICAL RADIO ELECTRONICS

Interaction of magnetite nanoparticles with a bilayer lipid membrane

I.V. Grigoryan1,2, I.V. Taranov2, I.M. Le-Deigen3, E.D. Borisova2,4, A.A. Anosov2,4, I.M. Kolmogorov3, I.D. Kravtsov1,2, A.M. Adelyanov1, A.A. Yaroslavov3, V.V. Spiridonov3, G.B. Khomutov1,2, V.A. Cherepenin2

1 Faculty of Physics M.V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
2 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
3 Faculty of Chemistry M.V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
4 I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University), Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.46 UDC 577.352.26 EDN CFTZQX

Abstract

This study investigates the mechanisms of interaction between superparamagnetic magnetite nanoparticles (MNPs) and a lipid bilayer membrane (BLM). Ligand-free polar magnetite nanoparticles, which form a colloidal suspension in the aqueous phase, can penetrate the BLM without compromising its integrity. As magnetite MNPs pass through the membrane, complexes of the nanoparticles with lipid molecules are formed, which are detected in the aqueous phase behind the membrane. In this study, independent experimental methods of structure-functional diagnostics, including FTIR spectroscopy, dynamic light scattering, scanning transmission electron microscopy (STEM), and energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy, were used to characterize nanocomposite complexes adsorbed on novel magnetic traps installed behind a planar azolectin BLM. The obtained results indicate that the resulting complexes are polydisperse with characteristic sizes in the range of 10-300 nm and have an iron-containing core surrounded by a lipid shell in the form of bilayers or multilayers of lipid molecules. Using the Langmuir-Blodgett method, the interaction of colloidal magnetite MNPs in the aqueous phase with lipid azolectin monolayers on the surface of the aqueous subphase in an external nonuniform magnetic field was studied. The corresponding monolayer Langmuir films, deposited on a solid mica substrate using the Schaeffer and Langmuir-Blodgett methods, were studied by atomic force microscopy (AFM) in tapping mode. The results of a topographic analysis of the structure of the obtained nanocomposite Langmuir films containing complexes of magnetite nanoparticles and azolectin molecules are consistent with the above-mentioned structural analysis of nanocomposite complexes formed during the interaction of magnetite nanoparticles with a bilayer lipid membrane.

  • bilayer lipid membrane
  • colloidal magnetite nanoparticles
  • membrane penetration of colloidal particles
  • nanoparticle-lipid complexes
  • scanning transmission electron microscopy
  • energy-dispersive X-ray spectroscopy
  • Langmuir monolayers and films
Аннотация (на русском)

Взаимодействие наночастиц магнетита с бислойной липидной мембраной

Настоящая работа посвящена исследованию механизмов взаимодействия суперпарамагнитных наночастиц магнетита с липидной мембраной. Безлигандные полярные наночастицы магнетита, формирующие коллоидную суспензию в водной фазе, могут проникать сквозь бислойную липидную мембрану, не нарушая ее целостность. В процессе прохождения наночастиц магнетита через мембрану образуются комплексы наночастиц с молекулами липида, которые регистрируются в водной фазе за мембраной. В данной работе независимыми экспериментальными методами структурно-функциональной диагностики, включающими ИК-Фурье спектроскопию, динамическюе светорассеяние, сканирующую трансмиссионную электронную микроскопию и энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию были охарактеризованы нанокомпозитные комплексы, адсорбированные на оригинальные магнитные ловушки, установленные за бислойной плоской липидной мембраной из азолектина. Полученные этими методами результаты указывают на то, что образующиеся комплексы являются полидисперсными с характерными размерами в интервале 10-300 нм, и имеют железосодержащее ядро, окружённое липидной оболочкой в виде бислоев или мультислоев липидных молекул. С использованием метода Ленгмюра-Блоджетт было проведено исследование взаимодействия магнитных коллоидных наночастиц магнетита водной фазы с липидными азолектиновыми мономолекулярными слоями на поверхности водной субфазы во внешнем неоднородном магнитном поле. Соответствующие монослойные ленгмюровские пленки, нанесенные на твёрдую подложку из слюды методами Шеффера и Ленгмюра-Блоджетт, были исследованы методом атомно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме. Результаты топографического анализа структуры полученных нанокомпозитных ленгмюровских пленок, содержащих комплексы наночастиц магнетита и молекул азолектина, согласуются с вышеуказанными результатами анализа структуры нанокомпозитных комплексов, образующихся при взаимодействие наночастиц магнетита с бислойной липидной мембраной.

For citation

Grigoryan I.V., Taranov I.V., Le-Deigen I.M., Borisova E.D., Anosov A.A., Kolmogorov I.M., Kravtsov I.D., Adelyanov A.M., Yaroslavov A.A., Spiridonov V.V., Khomutov G.B., Cherepenin V.A. Interaction of magnetite nanoparticles with a bilayer lipid membrane // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.46

References

  1. Chen Y., Hou S. Recent progress in the effect of magnetic iron oxide nanoparticles on cells and extracellular vesicles //Cell Death Discovery. - 2023. - Т. 9. - №. 1. - С. 195. https://doi.org/10.1038/s41420-023-01490-2
  2. Koksharov Y. A. et al. Magnetic nanoparticles in medicine: progress, problems, and advances //Journal of Communications Technology and Electronics. - 2022. - Т. 67. - №. 2. - С. 101-116. https://doi.org/10.1134/s1064226922020073
  3. Arami H. et al. In vivo delivery, pharmacokinetics, biodistribution and toxicity of iron oxide nanoparticles // Chemical Society Reviews. - 2015. - Т. 44. - №. 23. - С. 8576-8607. https://doi.org/10.1039/C5CS00541H
  4. Abarca-Cabrera L., Fraga-García P., Berensmeier S. Bio-nano interactions: binding proteins, polysaccharides, lipids and nucleic acids onto magnetic nanoparticles //Biomaterials research. - 2021. - Т. 25. - №. 1. - С. 12. https://doi.org/10.1186/s40824-021-00212-y
  5. Yun G. et al. The biomolecular corona in 2D and reverse: patterning metal-phenolic networks on proteins, lipids, nucleic acids, polysaccharides, and fingerprints //Advanced Functional Materials. - 2020. - Т. 30. - №. 1. - С. 1905805.; Stewart M. P. et al. In vitro and ex vivo strategies for intracellular delivery // Nature. - 2016. - Т. 538. - №. 7624. - С. 183-192. https://doi.org/10.1002/adfm.201905805
  6. Vácha R., Martinez-Veracoechea F. J., Frenkel D. Receptor-mediated endocytosis of nanoparticles of various shapes //Nano letters. - 2011. - Т. 11. - №. 12. - С. 5391-5395. https://doi.org/10.1021/nl2030213
  7. Kręcisz M. et al.Interactions between magnetic nanoparticles and model lipid bilayers-Fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR) studies of the molecular basis of nanotoxicity //Journal of Applied Physics. - 2016. - Т. 120. - №. 12. https://doi.org/10.1063/1.4962951
  8. Arsianti M. et al. Polyethylenimine based magnetic iron-oxide vector: the effect of vector component assembly on cellular entry mechanism, intracellular localization, and cellular viability //Biomacromolecules. - 2010. - Т. 11. - №. 9. - С. 2521-2531. https://doi.org/10.1021/bm100748p
  9. Marzano M. et al. Biogenesis of extracellular vesicles produced from human-stem-cell-derived cortical spheroids exposed to iron oxides //ACS Biomaterials Science & Engineering. - 2021. - Т. 7. - №. 3. - С. 1111-1122. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c01286
  10. Chen Y., Hou S. Recent progress in the effect of magnetic iron oxide nanoparticles on cells and extracellular vesicles // Cell Death Discovery. - 2023. - Т. 9. - №. 1. - С. 195. https://doi.org/10.1038/s41420-023-01490-2
  11. Zanella D. et al. Iron oxide nanoparticles can cross plasma membranes //Scientific reports. - 2017. - Т. 7. - №. 1. - С. 11413. https://doi.org/10.1038/s41598-017-11535-z
  12. Li S., Malmstadt N. Deformation and poration of lipid bilayer membranes by cationic nanoparticles //Soft Matter. - 2013. - Т. 9. - №. 20. - С. 4969-4976. https://doi.org/10.1039/C3SM27578G
  13. Anosov A. A. et al. Penetration of hydrophilic colloidal magnetite nanoparticles through a lipid membrane in an inhomogeneous magnetic field // Physics of Fluids. - 2024. - Т. 36. - №. 11. https://doi.org/10.1063/5.0240116
  14. Anosov A. A. et al. Effect of colloidal magnetite (Fe3O4) nanoparticles on the electrical characteristics of the azolectin bilayer in a static inhomogeneous magnetic field //Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. - 2024. - Т. 1866. - №. 7. - С. 184352. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2024.184352
  15. Olenick L. L. et al. Lipid corona formation from nanoparticle interactions with bilayers //Chem. - 2018. - Т. 4. - №. 11. - С. 2709-2723. https://doi.org/10.26434/chemrxiv.5512996
  16. Pereira A. R., Oliveira Junior O. N. Recent advances in the use of Langmuir monolayers as cell membrane models //Eclética Química. - 2021. - Т. 46. - №. 1. - С. 18-29. https://doi.org/10.26850/1678-4618eqj.v46.1SI.2021.p18-29
  17. Er-Rafik M. et al. Tear of lipid membranes by nanoparticles //Soft Matter. - 2022. - Т. 18. - №. 17. - С. 3318-3322 https://doi.org/10.1039/D2SM00179A
  18. Massart R. Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media //IEEE transactions on magnetics. - 1981. - Т. 17. - №. 2. - С. 1247-1248. https://doi.org/10.1109/TMAG.1981.1061188
  19. Mueller P. et al. Reconstitution of cell membrane structure in vitro and its transformation into an excitable system // Nature. - 1962. - Т. 194. - №. 4832. - С. 979-980. https://doi.org/10.1038/194979a0
  20. Mendelsohn R., Mao G., Flach C.R. Infrared reflection-absorption spectroscopy: Principles and applications to lipid-protein interaction in Langmuir films // Biochim. Biophys. Acta. - 2010. - Vol. 1798, № 4. - P. 788-800. - https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2009.11.024.
  21. Weinstein D.B., Marsh J.B., Glick M.C., Warren L. Membranes of animal cells. IV. Lipids of the L cell and its surface membrane // J. Biol. Chem. - 1969. - Vol. 244, № 15. - P. 4103-4111.
  22. Le-Deygen I. M. et al. Magnetic nanorods for remote disruption of lipid membranes by non-heating low frequency magnetic field //Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. - 2019. - Т. 21. - С. 102065. https://doi.org/10.1016/j.nano.2019.102065
  23. Шевченко Л. Л. Инфракрасные спектры солей и комплексных соединений карбоновых кислот и некоторых их производных //Успехи химии. - 1963. - Т. 32. - №. 4. - С. 457-469. https://doi.org/10.1070/RC1963v032n04ABEH001329
  24. Born M. Volumen und hydratationswärme der ionen //Zeitschrift für physik. - 1920. - Т. 1. - №. 1. - С. 45-48. https://doi.org/10.1007/BF01881023
  25. P. W. Atkins and J. De Paula, Atkins' Physical Chemistry (New York: W.H. Freeman, 2006).