Grafen har hyllats som framtidens material. Hittills, dock, lite är känt om huruvida och hur grafen påverkar vår hälsa om det kommer in i kroppen. Ett team av forskare från Empa och Adolphe Merkle Institute (AMI) i Fribourg har nu genomfört de första studierna på en tredimensionell lungmodell för att undersöka beteendet hos grafen och grafenliknande material när de väl har andats in.

Draghållfasthet, rivsäker, mycket elastisk och elektriskt ledande:Grafen har en häpnadsväckande mängd extraordinära egenskaper, som möjliggör revolutionerande tillämpningar inom ett stort antal områden. Det är inte av en slump som EU lanserade flaggskeppsprojektet grafen, som åtnjuter en miljard euro i finansiering och är det största europeiska forskningsinitiativet. Som en del av detta enorma projekt, Empa tar också med sin expertis till bordet, eftersom potentiella hälsoaspekter och påverkan på den mänskliga organismen också spelar en nyckelroll inom ramen för denna alleuropeiska grafenforskning.

Dessa aktiviteter har nu gett upphov till ytterligare ett projekt finansierat av Swiss National Science Foundation (SNSF), som nyligen lanserades på Empa och AMI. Det innebär att man använder en cellulär 3D-lungmodell, med hjälp av vilken forskarna hoppas kunna ta reda på vilken påverkan grafen och grafenliknande material kan ha på den mänskliga lungan under så realistiska förhållanden som möjligt. Ingen liten bedrift:trots allt, inte all grafen är densamma. Beroende på produktionsmetod och bearbetning, ett stort utbud av former och kvalitetsspektra av materialet framträder, vilket i sin tur kan utlösa olika svar i lungan

Tredimensionella cellkulturer "andas in" partiklar

Forskargruppen ledd av Peter Wick, Tina Bürki och Jing Wang från Empa och Barbara Rothen-Rutishauser och Barbara Drasler från AMI publicerade nyligen sina första resultat i tidskriften Kol . Tack vare 3D-lungmodellen, forskarna har lyckats simulera de faktiska förhållandena vid blod-luftbarriären och grafens påverkan på lungvävnaden så realistiskt som möjligt – utan några tester på djur eller människor. Det är en cellmodell som representerar lungalveolerna. Konventionella in vitro-tester fungerar med cellkulturer från bara en celltyp – den nyligen etablerade lungmodellen, å andra sidan, har tre olika celltyper, som simulerar förhållandena inuti lungan, nämligen alveolära epitelceller och två sorters immunceller – makrofager och dendritiska celler.

En annan faktor som så gott som ignorerats i in vitro-tester hittills är kontakten med luftburna grafenpartiklar. Vanligtvis, celler odlas i en näringslösning i en petriskål och exponeras för material, som grafen, i denna form. I verkligheten, dock, dvs vid lungbarriären, det är en helt annan historia. "Den mänskliga organismen kommer vanligtvis i kontakt med grafenpartiklar via andning, " förklarar Tina Bürki från Empa's Particles-Biology Interactions lab.

Med andra ord, partiklarna andas in och berör lungvävnaden direkt. Den nya lungmodellen är utformad på ett sådant sätt att cellerna sitter på ett poröst filtermembran vid luft-vätskegränsytan och forskarna sprejar grafenpartiklar på lungcellerna med hjälp av en nebulisator för att simulera processen i kroppen så nära som möjligt. Den tredimensionella cellkulturen "andas" alltså effektivt in grafendam.

Inga akuta skador upptäcktes

Dessa tester med 3D-lungmodellen har nu gett de första resultaten. Forskarna kunde bevisa att inga akuta skador orsakas av lungan om lungepitelceller kommer i kontakt med grafenoxid (GO) eller grafennanoplatelets (GNP). Detta inkluderar reaktioner som plötslig celldöd, oxidativ stress eller inflammation.

För att även kunna spåra kroniska förändringar i kroppen, SNSF-projektet kommer att pågå i tre år; Långtidsstudier med lungmodellen är nästa på agendan. Förutom rena grafenpartiklar, Wick och hans team exponerar också lungcellerna för gnidade grafenpartiklar gjorda av kompositmaterial, som klassiskt används för att förstärka polymerer.

Jing Wang från Empas Advanced Analytical Technologies-labb är också involverad. För att uppskatta antalet grafenpartiklar som människan utsätts för så realistiskt som möjligt, Wang studerar och kvantifierar nötning av kompositmaterial. Baserat på dessa uppgifter, teamet exponerar 3D-lungmodellen för realistiska förhållanden och kan göra förutsägelser om den långsiktiga toxiciteten hos grafen och grafenliknande material.