(Phys.org) – Ett samarbete mellan biologer, ingenjörer, och materialforskare vid Brown University har funnit att taggiga kanter av grafen lätt kan tränga igenom cellmembran, låter grafen komma in i cellen och störa normal funktion. Att förstå de mekaniska krafterna av nanotoxicitet bör hjälpa ingenjörer att designa säkrare material i nanoskala.

Forskare från Brown University har visat hur små grafenmikroark - ultratunna material med ett antal kommersiella tillämpningar - kan vara ett stort problem för mänskliga celler.

Forskningen visar att skarpa hörn och taggiga utsprång längs kanterna på grafenark lätt kan tränga igenom cellmembran. Efter att membranet är genomborrat, ett helt grafenark kan dras in i cellen där det kan störa normal funktion. Den nya insikten kan vara till hjälp för att hitta sätt att minimera den potentiella toxiciteten av grafen, sa Agnes Kane, ordförande för institutionen för patologi och laboratoriemedicin vid Brown och en av studiens författare.

"På en grundläggande nivå, vi vill förstå egenskaperna hos dessa material som är ansvariga för hur de interagerar med celler, " Sa Kane. "Om det finns någon funktion som är ansvarig för dess toxicitet, då kanske ingenjörerna kan konstruera det."

Fynden publicerades online den 9 juli Proceedings of the National Academy of Sciences .

Upptäcktes för ungefär ett decennium sedan, grafen är ett ark av kol bara en atom tjockt. Den är otroligt stark trots att den är så tunn och har anmärkningsvärd elektronisk, mekanisk, och fotoniska egenskaper. Kommersiella tillämpningar i små elektroniska enheter, solceller, batterier och till och med medicinsk utrustning är precis runt hörnet. Men inte mycket är känt om vilken effekt dessa material kan ha om de kommer in i kroppen antingen under tillverkningsprocessen eller under en produkts livscykel.

"Dessa material kan andas in oavsiktligt, eller de kan avsiktligt injiceras eller implanteras som komponenter i ny biomedicinsk teknik, sa Robert Hurt, professor i teknik och en av studiens författare. "Så vi vill förstå hur de interagerar med celler en gång inuti kroppen."

Dessa senaste rön kommer från ett pågående samarbete mellan biologer, ingenjörer, och materialforskare vid Brown syftade till att förstå den giftiga potentialen hos en mängd olika nanomaterial. Deras arbete med grafen började med några till synes motsägelsefulla fynd.

Preliminär forskning av Kanes biologigrupp hade visat att grafenark verkligen kan komma in i celler, men det var inte klart hur de kom dit. Huajian Gao, professor i teknik, försökte förklara dessa resultat med hjälp av kraftfulla datorsimuleringar, men han stötte på ett problem. Hans modeller, som simulerar interaktioner mellan grafen och cellmembran på molekylär nivå, antydde att det skulle vara ganska sällsynt att ett mikroark genomborrade en cell. Energibarriären som krävdes för att ett ark skulle skära membranet var helt enkelt för hög, även när plåten träffade kanten först.

Problemet visade sig vara att dessa initiala simuleringar antog en perfekt fyrkantig bit grafen. I verkligheten, grafenark är sällan så orörda. När grafen exfolieras, eller skalas bort från tjockare grafitbitar, arken lossnar i konstigt formade flingor med taggiga utsprång som kallas asperities. När Gao körde om sina simuleringar med asperities inklusive, arken kunde genomborra membranet mycket lättare.

Annette von dem Bussche, biträdande professor i patologi och laboratoriemedicin, kunde verifiera modellen experimentellt. Hon placerade mänsklig lunga, hud- och immunceller i petriskålar tillsammans med grafenmikroark. Elektronmikroskopbilder bekräftade att grafen kom in i cellerna med början vid grova kanter och hörn. Experimenten visade att även ganska stora grafenark på upp till 10 mikrometer kunde internaliseras helt av en cell.

"Ingenjörerna och materialvetarna kan analysera och beskriva dessa material i detalj, ", sade Kane. "Det tillåter oss att bättre tolka de biologiska effekterna av dessa material. Det är verkligen ett fantastiskt samarbete."

Härifrån, forskarna kommer att undersöka mer i detalj vad som händer när ett grafenark kommer in i cellen. Men Kane säger att denna första studie ger en viktig start för att förstå potentialen för grafentoxicitet.

"Det här handlar om säker design av nanomaterial, " sa hon. "De är konstgjorda material, så vi borde kunna vara smarta och göra dem säkrare."