Grafenoxid nedbrydes biologisk ved hjælp af humane enzymer

Graphene Flagship-forskere viser, hvordan grafenoxid suspenderet i vand nedbrydes biologisk i en reaktion katalyseret af et menneskeligt enzym, hvor effektiviteten af ​​nedbrydningen afhænger af suspensionens kolloide stabilitet. Undersøgelsen skal lede udviklingen af ​​grafen-baserede biomedicinske applikationer.

Som med alle nye materialer med industrielt løfte, der er betydelig ekspert- og offentlig interesse for sundheds- og sikkerhedsaspekterne af grafen. Udviklingen og kommerciel udnyttelse af grafen er på et tidligt stadium, og dets miljø, sundheds- og sikkerhedsrisici bliver undersøgt af forskere, der er forbundet med Europas grafenflagskib. Flagskibet er et stort internationalt konsortium af akademiske og industrielle partnere, delfinansieret af Europa-Kommissionen, der fokuserer på behovet for, at Europa skal løse de store videnskabelige og teknologiske udfordringer gennem langsigtede, tværfaglig forskningsindsats.

De potentielle sundheds- og sikkerhedspåvirkninger af grafen og andre todimensionelle materialer er et fokus for intensiv forskningsindsats. Miljømæssig persistens og akkumulering er nøglespørgsmål, når det kommer til udnyttelse af grafenbaserede materialer, og sikker bortskaffelse af disse og andre konstruerede materialer ved slutningen af ​​deres brugstid er af særlig interesse. Når det kommer til grafen specifikt, den oxiderede form af denne todimensionelle allotrope af kulstof har et betydeligt løfte om brug i lægemiddellevering, bio-billeddannelse, vævsteknik, biosensing og en række andre relaterede applikationer, på grund af dets høje vandige dispergerbarhed og biokompatibilitet.

Hvis grafenoxid skal have en produktiv rolle i biomedicinske teknologier, dets toksikologiske virkninger skal evalueres systematisk. Undersøgelser har vist, at grafenoxid i nogle situationer kan skade levende celler og svække immunresponset. Når man betragter det sammen, imidlertid, resultaterne af de forskellige eksperimenter, der er udført til dato, er usikre, og i nogle tilfælde modstridende.

Grafen og dets forskellige forbindelser kan være biokompatible, men meget lidt er blevet rapporteret om biologisk nedbrydning. Til det formål, flagskibsforskere ledet af Alberto Bianco, en organisk kemiker ved det franske nationale forskningsråd i Strasbourg, har set i detaljer på den biologiske nedbrydning af grafenoxid af et enzym. Rapportering af deres resultater i journalen Lille , forskerne viser, at myeloperoxidase – afledt af humane hvide blodlegemer i nærværelse af en lav koncentration af hydrogenperoxid – fuldstændigt kan metabolisere grafenoxid i tilfælde af meget spredte prøver.

Den første forfatter af Lille papiret er Rajendra Kurapati, en postdoc i Biancos gruppe. Kurapati og hans kolleger fokuserede deres opmærksomhed på myeloperoxidases evne til at nedbryde tre grafenoxidprøver, klassificeret efter grad af dispergerbarhed i vand. Vigtigt at bemærke er, at vi her taler om dispergerbarhed frem for materialekoncentration. Hvad forskerne fandt, er, at højt aggregerede suspensioner af grafenoxid ikke kan nedbrydes biologisk i nærvær af myeloperoxidase, men de mere stabile kolloider nedbrydes fuldstændigt af enzymet. I kemiske termer, dispergerbarheden af ​​grafenoxid afhænger af oxygengrupperne på grafenoverfladen, og dette relaterer sig til bionedbrydning.

Efter at have detaljeret resultaterne af deres eksperiment, forskerne diskuterer mekanismen bag grafenoxidnedbrydning, begyndende med et resumé af den proces, hvorved myeloperoxidase virker mod infektion af mikrober og andre invasive materialer, der opflammer biologiske væv. Under inflammationsprocessen, neutrofiler, en undertype af hvide blodlegemer, samles på infektionsstedet og udskille myeloperoxidase, som katalyserer en kemisk reaktion med chloridioner og hydrogenperoxid for at producere stærke oxidanter såsom hypochlorsyrling. Disse oxidanter har antimikrobielle egenskaber, og er også kendt for at nedbryde polyesterbaserede implantater, ekstracellulære sukkerarter og oxiderede kulstof nanorør.

Undersøgelsesforfatterne foreslår, at de høje redoxpotentialer af oxidanter produceret i den myeloperoxidase-katalyserede reaktion på lignende måde kunne nedbryde grafenoxid holdt i suspension. Materialenedbrydning starter sandsynligvis ved niveauet af kulstofatomer forbundet med oxygen i grafengitteret, og centralt herfor er hypochlorsyren, der produceres i reaktionen. Overflade elektrisk ladning menes også at bidrage, som det gør i tilfælde af oxiderede kulstof nanorør, da det favoriserer den stærke binding af grafenoxid til enzymet, og udløser efterfølgende dens nedbrydning.

"Vores undersøgelse viser den fuldstændige nedbrydning af grafenoxid af myeloperoxidase, og resultaterne indikerer, at utilsigtet indånding af grafenoxid udgør en håndterbar sundhedsrisiko hos mennesker og andre arter, " siger Bianco. "På den anden side, oversættelsen af ​​grafenbaserede materialer til klinisk sikre biomaterialer til biomedicinske anvendelser bedømmes også ud fra bionedbrydelighed. Vores forskning kan give en metode til miljømæssig sikker bortskaffelse af grafen-baserede materialer. Det kunne også guide udviklingen af ​​biokompatible grafen-baserede bærere til levering af bioaktive molekyler."

Den detaljerede mekanisme for bionedbrydning af grafenoxid er et emne for yderligere undersøgelse, men resultaterne af den seneste undersøgelse er klare. Grafenoxid nedbrydes i nærvær af hydrogenperoxid, in a reaction catalysed by the myeloperoxidase enzyme. The degree of degradation depends on the colloidal stability of the suspension, which indicates that the hydrophilic nature of graphene oxide is a key factor in its breakdown by enzymes. Colloidal stability should therefore be considered when engineering graphene oxide materials for biomedical applications.