Bedre end grafenmaterialeudvikling kan forbedre implanterbar teknologi

Flyt over, grafen. Der er et nyt, forbedret todimensionelt materiale i laboratoriet. Borophen, den atomare tynde version af bor, der først blev syntetiseret i 2015, er mere ledende, tyndere, lettere, stærkere og mere fleksibel end grafen, 2D-versionen af ​​kulstof.

Nu har forskere ved Penn State gjort materialet potentielt mere nyttigt ved at bibringe det chiralitet - eller håndfasthed - på det, hvilket kunne give avancerede sensorer og implanterbart medicinsk udstyr. Kiraliteten, induceret via en metode, der aldrig før er blevet brugt på borophen, gør det muligt for materialet at interagere på unikke måder med forskellige biologiske enheder såsom celler og proteinprækursorer.

Holdet, ledet af Dipanjan Pan, Dorothy Foehr Huck &J. Lloyd Huck, professor i nanomedicin og professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og nuklear ingeniørvidenskab, offentliggjorde deres arbejde - det første af sin slags, sagde de - i ACS Nano .

"Borophen er et meget interessant materiale, da det ligner kulstof meget tæt, herunder dets atomvægt og elektronstruktur, men med mere bemærkelsesværdige egenskaber. Forskere er kun begyndt at udforske dets anvendelser," sagde Pan.

"Så vidt vi ved, er dette den første undersøgelse, der forstår de biologiske interaktioner af borophen og den første rapport om at bibringe chiralitet på borophenstrukturer."

Chiralitet refererer til lignende, men ikke identiske fysiske egenskaber, som venstre og højre hånd. I molekyler kan chiralitet få biologiske eller kemiske enheder til at eksistere i to versioner, der ikke kan matches perfekt, som i en venstre og højre vante. De kan spejle hinanden præcist, men en venstre vante passer aldrig lige så godt til højre hånd, som den passer til venstre hånd.

Borophen er strukturelt polymorf, hvilket betyder, at dets boratomer kan arrangeres i forskellige konfigurationer for at give det forskellige former og egenskaber, ligesom hvordan det samme sæt legoklodser kan indbygges i forskellige strukturer. Dette giver forskere mulighed for at "tune" borophen til at give det forskellige egenskaber, herunder chiralitet.

"Da dette materiale har et bemærkelsesværdigt potentiale som et substrat for implanterbare sensorer, ønskede vi at lære om deres adfærd, når de udsættes for celler," sagde Pan. "Vores undersøgelse viste for første gang nogensinde, at forskellige polymorfe strukturer af borophen interagerer forskelligt med celler, og deres cellulære internaliseringsveje er unikt dikteret af deres strukturer."

Forskerne syntetiserede borophen-blodplader - svarende til de cellulære fragmenter, der findes i blod - ved hjælp af opløsningstilstandssyntese, som involverer at udsætte en pulveriseret version af materialet i en væske for en eller flere eksterne faktorer, såsom varme eller tryk, indtil de kombineres i ønskede produkt.

"Vi lavede borophenen ved at udsætte borpulveret for højenergiske lydbølger og blandede derefter disse blodplader med forskellige aminosyrer i en væske for at bibringe chiraliteten," sagde Pan. "Under denne proces bemærkede vi, at svovlatomerne i aminosyrerne foretrak at klæbe til borophenet mere end aminosyrernes nitrogenatomer gjorde."

Forskerne fandt ud af, at visse aminosyrer, som cystein, ville binde sig til borophen på forskellige steder, afhængigt af deres chirale behændighed. Forskerne udsatte de chiraliserede borophen-blodplader for pattedyrsceller i en skål og observerede, at deres håndfasthed ændrede, hvordan de interagerede med cellemembraner og trængte ind i cellerne.

Ifølge Pan kunne denne opdagelse informere fremtidige applikationer, såsom udvikling af højere opløsning medicinsk billeddannelse med kontrast, der præcist kunne spore celleinteraktioner eller bedre lægemiddellevering med præcise materiale-celle-interaktioner. Kritisk, sagde han, kunne forståelsen af, hvordan materialet interagerer med celler – og kontrollere disse interaktioner – en dag føre til sikrere og mere effektive implanterbare medicinske anordninger.

"Borophenes unikke struktur giver mulighed for effektiv magnetisk og elektronisk kontrol," sagde Pan og bemærkede, at materialet kunne have yderligere anvendelser inden for sundhedspleje, bæredygtig energi og mere. "Denne undersøgelse var kun begyndelsen. Vi har adskillige projekter i gang med at udvikle biosensorer, lægemiddelleveringssystemer og billedbehandlingsapplikationer til borophen."

Flere oplysninger: Teresa Aditya et al., Chiral Induction in 2D Borophene Nanoplatelets through Stereolective Boron-Sulfur Conjugation, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.4c01792

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Pennsylvania State University