Rice University kemist James Tour håller kol och en flaska med kol-härledda grafen kvantprickar. Prickarna har modifierats för användning som en effektiv antioxidant. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Grafenkvantprickar från vanligt kol kan vara grunden för en effektiv antioxidant för människor som lider av traumatiska hjärnskador, stroke eller hjärtinfarkt.
Deras förmåga att dämpa oxidativ stress efter sådana skador är föremål för en studie av forskare vid Rice University, Texas A&M Health Science Center och McGovern Medical School vid University of Texas Health Science Center i Houston (UTHealth).
Kvantprickar är halvledande material som är tillräckligt små för att uppvisa kvantmekaniska egenskaper som bara uppträder på nanoskala.
Riskemist James Tour, A&M-neurologen Thomas Kent och UTHs biokemist Ah-Lim Tsai och deras team hittade de biokompatibla prickarna, när den modifieras med en vanlig polymer, är effektiva härmar av kroppens eget superoxiddismutas, ett av många naturliga enzymer som håller oxidativ stress i schack.
Men eftersom naturliga antioxidanter kan överväldigas av den snabba produktionen av reaktiva syrearter (ROS) som försöker läka en skada, teamet har arbetat i åratal för att se om en snabb injektion av reaktiva nanomaterial kan begränsa de skador som dessa fria radikaler kan orsaka på friska celler.
En tidigare studie av trion visade att hydrofila kluster modifierade med polyetylenglykol (PEG) för att förbättra deras löslighet och biologiska stabilitet är effektiva för att dämpa oxidativ stress, som en enda nanopartikel hade förmågan att neutralisera tusentals ROS-molekyler.
Den kemiska strukturen av en kolhärledd grafenkvantprick. Prickarna syntetiserades först vid Rice University för medicinsk bildbehandling, avkänning, elektroniska och fotovoltaiska applikationer, men har nu modifierats för möjlig användning som injicerbara antioxidanter. Kredit:Tour Group/Rice University
"Att ersätta våra tidigare nanopartiklar med kol-härledda kvantprickar gör det mycket enklare och billigare att producera dessa potentiellt terapeutiska material, Tour sa. "Det öppnar dörren till mer lättillgängliga terapier."
Tester på cellinjer visade att en blandning av PEG- och grafenkvantprickar från vanligt kol är lika effektiva för att stoppa skador från superoxid och väteperoxider som de tidigare materialen, men själva prickarna är mer disklika än de bandliknande klustren.
Resultaten visas i tidskriften American Chemical Society ACS tillämpade material och gränssnitt .
Tour-labbet extraherade först kvantprickar från kol 2013 och rapporterade om deras potential för medicinsk avbildning, avkänning, elektroniska och solcellsapplikationer. En efterföljande studie visade hur de kan konstrueras för specifika halvledande egenskaper.
I den nya studien, forskarna utvärderade prickarnas elektrokemiska, kemisk och biologisk aktivitet. Rislabbet extraherade kemiskt kvantprickar från billigt bituminöst och antracitkol, modifierade dem med polymeren och testade deras förmågor på levande celler från gnagare.
Kol-härledda grafen kvantprickar som ses under ett elektronmikroskop. Rice University-forskare har modifierat prickarna för att fungera som antioxidanter. Kredit:Tour Group/Rice University
Resultaten visade att kvantprickdoser i olika koncentrationer var mycket effektiva för att skydda celler från oxidation, även om doserna försenades med 15 minuter efter att forskarna lagt till skadlig väteperoxid till cellodlingsskålarna.
Den skivliknande, 3-5 nanometer bituminösa kvantprickar är mindre än 10-20 nanometer antracitprickar. Forskarna fann att skyddsnivån var dosberoende för båda typerna av partiklar, men att de större antracithärledda prickarna skyddade fler celler vid lägre koncentrationer.
"Även om de båda arbetar i celler, in vivo, de mindre är mer effektiva, Tour sa. "De större har sannolikt problem med att komma åt hjärnan också."
