Grafenes virkninger på lungerne

Grafen er blevet hyldet som fremtidens materiale. Endnu, imidlertid, man ved lidt om, hvorvidt og hvordan grafen påvirker vores helbred, hvis det kommer ind i kroppen. Et hold forskere fra Empa og Adolphe Merkle Institute (AMI) i Fribourg har nu udført de første undersøgelser af en tredimensionel lungemodel for at undersøge opførselen af ​​grafen og grafenlignende materialer, når de er blevet inhaleret.

Trækstyrke, rivesikker, meget elastisk og elektrisk ledende:Grafen har en forbløffende række af ekstraordinære egenskaber, som muliggør revolutionerende applikationer på en lang række områder. Det er ikke tilfældigt, at EU lancerede grafenflagskibsprojektet, som nyder godt af en milliard euro i finansiering og er det største europæiske forskningsinitiativ. Som en del af dette enorme projekt, Empa bringer også sin ekspertise til bordet, da potentielle sundhedsaspekter og indvirkningen på den menneskelige organisme også spiller en nøglerolle inden for rammerne af denne paneuropæiske grafenforskning.

Disse aktiviteter har nu affødt et yderligere projekt finansieret af Swiss National Science Foundation (SNSF), som for nylig blev lanceret hos Empa og AMI. Det involverer at bruge en cellulær 3-D lungemodel, ved hjælp af hvilken forskerne håber at finde ud af, hvilken indflydelse grafen og grafenlignende materialer kan have på den menneskelige lunge under så realistiske forhold som muligt. Ingen ringe bedrift:Når alt kommer til alt, ikke al grafen er ens. Afhængig af produktionsmetode og forarbejdning, en bred vifte af former og kvalitetsspektre af materialet dukker op, som igen kan udløse forskellige reaktioner i lungen

Tredimensionelle cellekulturer "inhalerer" partikler

Forskerholdet ledet af Peter Wick, Tina Bürki og Jing Wang fra Empa og Barbara Rothen-Rutishauser og Barbara Drasler fra AMI offentliggjorde for nylig deres første resultater i tidsskriftet Kulstof . Takket være 3D-lungemodellen, det er lykkedes forskerne at simulere de faktiske forhold ved blod-luft-barrieren og grafens indvirkning på lungevævet så realistisk som muligt – uden at have testet dyr eller mennesker. Det er en cellemodel, der repræsenterer lungealveolerne. Konventionelle in vitro-tests arbejder med cellekulturer fra kun én celletype – den nyetablerede lungemodel, på den anden side, bærer tre forskellige celletyper, som simulerer forholdene inde i lungen, nemlig alveolære epitelceller og to slags immunceller – makrofager og dendritiske celler.

En anden faktor, der næsten er blevet ignoreret i in vitro-tests indtil videre, er kontakten med luftbårne grafenpartikler. Som regel, celler dyrkes i en næringsopløsning i en petriskål og udsættes for materialer, såsom grafen, i denne form. I virkeligheden, imidlertid, dvs ved lungebarrieren, det er en helt anden historie. "Den menneskelige organisme kommer typisk i kontakt med grafenpartikler via respiration, " forklarer Tina Bürki fra Empas laboratorium for partikler-biologiske interaktioner.

Med andre ord, partiklerne inhaleres og berører lungevævet direkte. Den nye lungemodel er designet på en sådan måde, at cellerne sidder på en porøs filtermembran ved luft-væske-grænsefladen, og forskerne sprøjter grafenpartikler på lungecellerne ved hjælp af en forstøver for at simulere processen i kroppen. så tæt som muligt. Den tredimensionelle cellekultur "ånder" således effektivt grafenstøv.

Ingen akut skade opdaget

Disse tests med 3-D lungemodellen har nu givet de første resultater. Forskerne var i stand til at bevise, at der ikke forårsages akut skade på lungen, hvis lungeepitelceller kommer i kontakt med grafenoxid (GO) eller grafennanoblodplader (GNP). Dette omfatter reaktioner såsom pludselig celledød, oxidativt stress eller betændelse.

For også at spore kroniske forandringer i kroppen, SNSF-projektet er sat til at løbe i tre år; langtidsstudier med lungemodellen er næste på dagsordenen. Udover rene grafenpartikler, Wick og hans team udsætter også lungecellerne for gnidede grafenpartikler lavet af kompositmaterialer, som klassisk bruges til at forstærke polymerer.

Jing Wang fra Empas Advanced Analytical Technologies-laboratorium er også involveret. For at estimere antallet af grafenpartikler, som mennesker udsættes for så realistisk som muligt, Wang studerer og kvantificerer slid af kompositmaterialer. Baseret på disse data, holdet udsætter 3-D lungemodellen for realistiske forhold og er i stand til at lave forudsigelser vedrørende langtidstoksiciteten af ​​grafen og grafenlignende materialer.