Skarvede grafenkanter kan skæres i cellemembraner

(Phys.org) – Et samarbejde mellem biologer, ingeniører, og materialeforskere ved Brown University har fundet ud af, at takkede kanter af grafen nemt kan gennembore cellemembraner, lader grafen komme ind i cellen og forstyrre normal funktion. Forståelse af de mekaniske kræfter af nanotoksicitet bør hjælpe ingeniører med at designe sikrere materialer på nanoskala.

Forskere fra Brown University har vist, hvordan små grafenmikroark - ultratynde materialer med en række kommercielle anvendelser - kunne være store problemer for menneskelige celler.

Forskningen viser, at skarpe hjørner og takkede fremspring langs kanterne af grafenplader nemt kan gennembore cellemembraner. Efter membranen er gennemboret, et helt grafenark kan trækkes ind i cellen, hvor det kan forstyrre normal funktion. Den nye indsigt kan være nyttig til at finde måder at minimere den potentielle toksicitet af grafen, sagde Agnes Kane, formand for afdelingen for patologi og laboratoriemedicin på Brown og en af ​​undersøgelsens forfattere.

"På et grundlæggende niveau, vi ønsker at forstå funktionerne i disse materialer, der er ansvarlige for, hvordan de interagerer med celler, " sagde Kane. "Hvis der er en funktion, der er ansvarlig for dens toksicitet, så kan ingeniørerne måske konstruere det."

Resultaterne blev offentliggjort online den 9. juli i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Opdaget for omkring ti år siden, grafen er en plade af kulstof kun et atom tyk. Den er utrolig stærk på trods af at den er så tynd og har bemærkelsesværdig elektronisk, mekanisk, og fotoniske egenskaber. Kommercielle applikationer i små elektroniske enheder, solceller, batterier og endda medicinsk udstyr er lige rundt om hjørnet. Men man ved ikke meget om, hvilken effekt disse materialer kan have, hvis de kommer ind i kroppen enten under fremstillingsprocessen eller under et produkts livscyklus.

"Disse materialer kan inhaleres utilsigtet, eller de kan med vilje injiceres eller implanteres som komponenter i nye biomedicinske teknologier, " sagde Robert Hurt, professor i ingeniørvidenskab og en af ​​undersøgelsens forfattere. "Så vi ønsker at forstå, hvordan de interagerer med celler, når de er inde i kroppen."

Disse seneste resultater kommer fra et igangværende samarbejde mellem biologer, ingeniører, og materialeforskere hos Brown havde til formål at forstå det giftige potentiale af en lang række nanomaterialer. Deres arbejde med grafen startede med nogle tilsyneladende modstridende resultater.

Foreløbig forskning fra Kanes biologigruppe havde vist, at grafenplader faktisk kan trænge ind i celler, men det var ikke klart, hvordan de kom dertil. Huajian Gao, professor i ingeniørvidenskab, forsøgte at forklare disse resultater ved hjælp af kraftfulde computersimuleringer, men han løb ind i et problem. Hans modeller, som simulerer interaktioner mellem grafen og cellemembraner på molekylært niveau, antydede, at det ville være ret sjældent, at et mikroark gennemborede en celle. Den energibarriere, der kræves for et ark til at skære membranen, var simpelthen for høj, selv når arket ramte kanten først.

Problemet viste sig at være, at disse indledende simuleringer antog et perfekt firkantet stykke grafen. I virkeligheden, grafenplader er sjældent så uberørte. Når grafen eksfolieres, eller skrællet væk fra tykkere bidder af grafit, arkene falder af i mærkeligt formede flager med takkede fremspring kaldet asperities. Da Gao kørte sine simuleringer igen med skævheder inkluderet, arkene var i stand til at gennembore membranen meget lettere.

Annette von dem Bussche, adjunkt i patologi og laboratoriemedicin, var i stand til at verificere modellen eksperimentelt. Hun placerede menneskelig lunge, hud- og immunceller i petriskåle sammen med grafenmikroark. Elektronmikroskopbilleder bekræftede, at grafen trængte ind i cellerne begyndende ved ru kanter og hjørner. Forsøgene viste, at selv ret store grafenplader på op til 10 mikrometer kunne internaliseres fuldstændigt af en celle.

"Ingeniørerne og materialeforskerne kan analysere og beskrive disse materialer meget detaljeret, " sagde Kane. "Det giver os mulighed for bedre at fortolke de biologiske virkninger af disse materialer. Det er virkelig et fantastisk samarbejde."

Herfra, forskerne vil se nærmere på, hvad der sker, når en grafenplade kommer ind i cellen. Men Kane siger, at denne indledende undersøgelse giver en vigtig start til at forstå potentialet for grafentoksicitet.

"Dette handler om det sikre design af nanomaterialer, " sagde hun. "De er menneskeskabte materialer, så vi burde være i stand til at være kloge og gøre dem mere sikre."