När miljö- och jordkemisten Baoshan Xing vid University of Massachusetts Amherst började läsa 2014 att en ny, tvådimensionellt material känt som skiktad svart fosfor (BP) fick uppmärksamhet av biomedicinska forskare för användning i läkemedelsleveranssystem och tumörfototermisk terapi, han var både nyfiken och bekymrad.

"Jag är inte bara en jordkemist, men en miljökemist, " noterar han. "Som jordbruksforskare, vi är mycket bekanta med fosfor men jag hade aldrig hört talas om tvådimensionell svart fosfor. Så vi läser alla fina tidningar om svart fosfor, och då, som miljökemister, vi började fråga om nanopartikeltoxicitet. Man måste vara försiktig med var man lägger sådana material i människokroppen."

I en ny omslagsartikel av tidskriften, Små , hans tidigare postdoktor, Qing Zhao, för närvarande professor vid Institutet för tillämpad ekologi vid den kinesiska vetenskapsakademin, och Xing rapporterar toxicitetstestresultat för olika tjocklekar av skiktad BP i tre cellinjer. I korthet, de fann störningar i cellmembranets integritet relaterad till skiktad BP-partikelstorlek, plus koncentrations- och celltypsberoende cytotoxicitet.

Xing säger, "Vi är bland de första att arbeta med detta material, särskilt när det gäller dess miljökonsekvenser." Han och kollegor uppmanar till att "en djupgående förståelse av BP:s cytotoxicitet är av yttersta vikt" för att tillhandahålla användbar data för riskbedömning och säkra biomedicinska tillämpningar.

Forskarna erkänner att det nya materialet, som samlas in som tunna prover från fosforkristaller med en teknik som kallas exfoliering, det är, rakning av lager av olika tjocklek, har "unika optiska och elektriska egenskaper, " vilket kan göra det "en lovande kandidat för en effektiv läkemedelsleverans och fototermisk/fotodynamisk terapi vid behandling av en mängd olika cancerformer."

Xing säger, "Jag minns när enskiktsgrafen genererade stor spänning i forskarvärlden för ett decennium sedan, och jag tror att folk blir upphetsade nu över ett enda lager av svart fosfor, att det kan ha många spännande tillämpningar." Men de två materialen skiljer sig mycket åt i sin enskiktiga struktur, han lägger till, där enskiktsgrafen är perfekt platt, exfolierad BP har en sicksackad struktur.

Zhao, Xing och deras kollegor påpekar att studier av skiktad BP-toxicitet som har utförts hittills har använt viabilitetsreagens, som kan störa cytotoxicitetsresultaten. Däremot de har använt en etikettfri, realtidscellanalys (RTCA) teknik som inte behöver några fluorescerande eller kolorimetriska viabilitetsreagenser.

Analysera skiktad BP-toxicitet i tre celltyper, mus fibroblastceller (NIH 3T3), humana tjocktarmsepitelceller (HCoEpiC) och mänskliga embryonala njurceller (293T), UMass Amherst och kinesiska forskargruppen fann att skiktad BP:s cytotoxicitet är baserad på det faktum att den genererar reaktiva syrearter (ROS). ROS är bland de mest potenta cellskadande medlen som är kända. Layered BP stör också cellmembranintegriteten på ett partikelstorleksberoende sätt. "Ju större BP är, mindre membranintegritet kommer att bibehållas, " noterar de.

Ytterligare, de säger att IC50-värdena för skiktad BP kan skilja sig dussintals gånger beroende på partikelstorlek och celltyp. IC50-värden avser ett mått på hur effektivt ett material är för att hämma en specifik biologisk funktion. Xing och kollegor uppmanar att "särskild uppmärksamhet bör ägnas åt storleken på skiktad BP och typerna av målcellinjer för dess tillämpning inom biomedicinskt område."

De lägger till, "Ytterligare studier är utan tvekan nödvändig för att utforska cytotoxicitetsmekanismerna på djupet, " och att "med tanke på resultaten från vår nuvarande studie, mekanismerna för BP:s cytotoxicitet är slående komplicerade och har betydande konsekvenser för riskbedömningen och säkra biomedicinska tillämpningar av BP."

De planerar att följa upp med ytterligare experiment för att testa deras hypotes att skiktad BP, med dess ovanliga elektriska egenskaper, kan visa sig användbart för att ta bort både positivt och negativt laddade kemikalier och organiska föroreningar från vatten.