Den här bilden från ett högupplöst transmissionselektronmikroskop visar ett av Rice Universitys grafenbaserade MRI-kontrastmedel, nanopartiklar som mäter cirka 10 nanometer i diameter som är så tunna att de är svåra att urskilja. Kredit:C.S. Tiwari/Rice University
grafen, de atomärt tunna skivorna av kol som materialforskare hoppas kunna använda för allt från nanoelektronik och avisningsmedel för flygplan till batterier och benimplantat, kan också användas som kontrastmedel för magnetisk resonanstomografi (MRT), enligt ny forskning från Rice University.
"De har många fördelar jämfört med konventionella kontrastmedel, "Risforskaren Sruthi Radhakrishnan sa om de grafenbaserade kvantprickarna hon har studerat under de senaste två åren. "Nästan alla de ofta använda kontrastmedlen innehåller giftiga metaller, men vårt material har ingen metall. Det är bara kol, väte, syre och fluor, och i alla våra tester hittills har det inte visat några tecken på toxicitet."
De första fynden för Rice's nanopartiklar - skivor av grafen som är dekorerade med fluoratomer och helt enkelt organiska molekyler som gör dem magnetiska - beskrivs i en ny artikel i tidskriften Particle and Particle Systems Characterization.
Pulickel Ajayan, rismaterialforskaren som leder arbetet, sa att de fluorerade grafenoxidkvantprickarna kan vara särskilt användbara som MRI-kontrastmedel eftersom de kan riktas mot specifika typer av vävnader.
"Det finns beprövade metoder för att fästa biomarkörer på kolnanopartiklar, så man skulle lätt kunna tänka sig att använda dessa kvantprickar för att utveckla vävnadsspecifika kontrastmedel, " sa Ajayan. "Till exempel, denna metod skulle kunna användas för att selektivt rikta in sig på specifika typer av cancer eller hjärnskador orsakade av Alzheimers sjukdom. Den typen av specificitet är inte tillgänglig med dagens kontrastmedel."
Rice University doktorand Sruthi Radhakrishnan tillbringade två år med att utveckla en process för att göra grafenbaserade kvantprickar som kan användas som MRT-kontrastmedel. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
MRT-skannrar gör bilder av kroppens inre strukturer med hjälp av starka magnetfält och radiovågor. Som diagnostiska tester, MRI ger ofta större detaljer än röntgenstrålar utan skadlig strålning, och som resultat, MRT-användningen har ökat kraftigt under det senaste decenniet. Mer än 30 miljoner MRI utförs årligen i USA.
Radhakrishnan sa att hennes arbete började 2014 efter att Ajayans forskargrupp fann att tillsats av fluor till antingen grafit eller grafen gjorde att materialet visade sig bra på MRI-skanningar.
Allt material påverkas av magnetfält, inklusive djurvävnader. I MRI-skannrar, ett kraftfullt magnetfält gör att enskilda atomer i hela kroppen blir magnetiskt inriktade. En puls av radioenergi används för att störa denna inriktning, och maskinen mäter hur lång tid det tar för atomerna i olika delar av kroppen att bli omriktade. Baserat på dessa åtgärder, skannern kan bygga upp en detaljerad bild av kroppens inre strukturer.
MRT-kontrastmedel förkortar den tid det tar för vävnader att anpassa sig och förbättrar avsevärt upplösningen av MRT-skanningar. Nästan alla kommersiellt tillgängliga kontrastmedel är gjorda av giftiga metaller som gadolinium, järn eller mangan.
"Vi arbetade med ett team från MD Anderson Cancer Center för att bedöma cytokompatibiliteten hos fluorerade grafenoxidkvantprickar, ”, sade Radhakrishnan. ”Vi använde ett test som mäter den metaboliska aktiviteten av cellkulturer och upptäcker toxicitet som en droppe i metabolisk aktivitet. Vi inkuberade kvantprickar i njurcellskulturer i upp till tre dagar och fann ingen signifikant celldöd i kulturerna, även vid de högsta koncentrationerna."
Till skillnad från de flesta för närvarande använda MRT-kontrastmedel, Rice Universitys fluorerade grafenoxidkvantprickar innehåller inga giftiga metaller och kan potentiellt riktas mot specifika typer av vävnader. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
De fluorerade grafenoxidkvantprickarna Radhakrishnan studier kan göras på mindre än en dag, men hon ägnade två år åt att perfektionera receptet för dem. Hon börjar med mikronstora ark av grafen som har fluorerats och oxiderats. När dessa tillsätts till ett lösningsmedel och omrörs i flera timmar, de går sönder i mindre bitar. Att göra materialet mindre är inte svårt, men processen för att göra små partiklar med lämpliga magnetiska egenskaper är krävande. Radhakrishnan sa att det inte fanns något "eureka-ögonblick" där hon plötsligt uppnådde rätt resultat genom att snubbla på den bästa formeln. Snarare, projektet präglades av stegvisa förbättringar genom dussintals mindre förändringar.
"Det krävde mycket optimering, " sa hon. "Receptet betyder mycket."
Radhakrishnan sa att hon planerar att fortsätta studera materialet och hoppas på att så småningom kunna bevisa att det är säkert och effektivt för kliniska MRI-tester.
"Jag skulle vilja se det tillämpas kommersiellt på kliniska sätt eftersom det har många fördelar jämfört med konventionellt tillgängliga medel, " Hon sa.
