Flagens flaggskeppsforskare visar hur grafenoxid suspenderas i vatten bionedbryts i en reaktion som katalyseras av ett humant enzym, med nedbrytningens effektivitet beroende på suspensionens kolloidala stabilitet. Studien ska vägleda utvecklingen av grafenbaserade biomedicinska tillämpningar.

Som med alla nya material med industriellt löfte, Det finns ett stort expert- och allmänintresse för grafens hälso- och säkerhetsaspekter. Utvecklingen och kommersiell exploatering av grafen är i ett tidigt skede, och dess miljö, hälso- och säkerhetsrisker utreds av forskare kopplade till Europas Graphene Flagship. Flaggskeppet är ett stort internationellt konsortium av akademiska och industriella partner, delfinansierad av Europeiska kommissionen, som fokuserar på behovet av att Europa tar itu med de stora vetenskapliga och tekniska utmaningarna genom långsiktig, tvärvetenskapliga forskningsinsatser.

De potentiella hälso- och säkerhetseffekterna av grafen och andra tvådimensionella material är fokus för intensiva forskningsinsatser. Miljöbeständighet och ackumulering är viktiga frågor när det gäller utnyttjande av grafenbaserade material, och att säkert kasta dessa och andra konstruerade material vid slutet av deras livslängd är av särskilt intresse. När det gäller grafen specifikt, den oxiderade formen av denna tvådimensionella allotrop av kol har stora löften för användning vid läkemedelsleverans, bioavbildning, vävnadsteknik, biosensing och ett antal andra relaterade applikationer, på grund av dess höga vattenhaltiga dispergerbarhet och biokompatibilitet.

Om grafenoxid ska ha en produktiv roll inom biomedicinsk teknik, dess toxikologiska effekter måste utvärderas systematiskt. Studier har visat att grafenoxid i vissa situationer kan skada levande celler och dämpa immunsvaret. När de ses tillsammans, dock, resultaten från de olika experiment som hittills genomförts är otydliga, och i vissa fall motsägelsefulla.

Grafen och dess olika föreningar kan vara biokompatibla, men mycket lite har rapporterats om biologisk nedbrytning. För detta ändamål, flaggskeppsforskare under ledning av Alberto Bianco, organisk kemist vid Franska nationella forskningsrådet i Strasbourg, har tittat i detalj på biologiskt nedbrytning av grafenoxid med ett enzym. Rapporterar sina resultat i tidningen Små , forskarna visar att myeloperoxidas - härrörande från mänskliga vita blodkroppar i närvaro av en låg koncentration av väteperoxid - helt kan metabolisera grafenoxid vid mycket spridda prover.

Den första författaren till Små papper är Rajendra Kurapati, en postdoktor i Biancos grupp. Kurapati och hans kollegor fokuserade sin uppmärksamhet på kapaciteten hos myeloperoxidas för att bryta ned tre grafenoxidprover, klassificeras efter graden av dispergerbarhet i vatten. Viktigt att notera är att vi talar här om spridbarhet snarare än materialkoncentration. Vad forskarna fann är att mycket aggregerade suspensioner av grafenoxid misslyckas med att biologiskt nedbrytas i närvaro av myeloperoxidas, men de mer stabila kolloiderna bryts helt ner av enzymet. I kemiska termer, dispergerbarheten av grafenoxid beror på syregrupperna som finns på grafenytan, och detta avser i sin tur biologisk nedbrytning.

Efter att ha detaljerat resultaten av deras experiment, forskarna diskuterar mekanismen för nedbrytning av grafenoxid, börjar med en sammanfattning av processen genom vilken myeloperoxidas verkar mot infektion av mikrober och andra invasiva material som tänder biologiska vävnader. Under inflammationsprocessen, neutrofiler, en undertyp av vita blodkroppar, samlas på infektionsstället och utsöndrar myeloperoxidas, som katalyserar en kemisk reaktion med kloridjoner och väteperoxid för att producera starka oxidanter såsom hypoklorsyra. Dessa oxidanter har antimikrobiella egenskaper, och är också kända för att bryta ner polyesterbaserade implantat, extracellulära sockerarter och oxiderade kolnanorör.

Studieförfattarna föreslår att de höga redoxpotentialerna hos oxidanter som produceras i den myeloperoxidas-katalyserade reaktionen på ett liknande sätt kan försämra grafenoxid som hålls i suspension. Materialnedbrytning börjar sannolikt vid nivån av kolatomer kopplade till syre i grafengitteret, och centralt för detta är den hypoklorsyra som produceras i reaktionen. Ytladdning antas också bidra, som det gör för oxiderade kolnanorör, eftersom det gynnar den starka bindningen av grafenoxid med enzymet, och utlöser därefter dess nedbrytning.

"Vår studie visar den fullständiga nedbrytningen av grafenoxid med myeloperoxidas, och resultaten indikerar att oavsiktlig inandning av grafenoxid utgör en hanterbar hälsorisk hos människor och andra arter, "säger Bianco." Å andra sidan, översättningen av grafenbaserade material till kliniskt säkra biomaterial för biomedicinska tillämpningar bedöms också av biologisk nedbrytbarhet. Vår forskning kan ge en metod för miljövänligt bortskaffande av grafenbaserade material. Det kan också vägleda utvecklingen av biokompatibla grafenbaserade bärare för leverans av bioaktiva molekyler. "

Den detaljerade mekanismen för biologisk nedbrytning av grafenoxid är föremål för vidare undersökning, men resultaten från den senaste studien är tydliga. Grafenoxid bryts ner i närvaro av väteperoxid, i en reaktion katalyserad av myeloperoxidasenzymet. The degree of degradation depends on the colloidal stability of the suspension, which indicates that the hydrophilic nature of graphene oxide is a key factor in its breakdown by enzymes. Colloidal stability should therefore be considered when engineering graphene oxide materials for biomedical applications.