(Phys.org) — Een samenwerking van biologen, ingenieurs, en materiaalwetenschappers van de Brown University hebben ontdekt dat gekartelde randen van grafeen gemakkelijk celmembranen kunnen doorboren, waardoor grafeen de cel kan binnendringen en de normale functie kan verstoren. Het begrijpen van de mechanische krachten van nanotoxiciteit zou ingenieurs moeten helpen om veiligere materialen op nanoschaal te ontwerpen.

Onderzoekers van Brown University hebben aangetoond hoe kleine grafeen microsheets - ultradunne materialen met een aantal commerciële toepassingen - grote problemen kunnen opleveren voor menselijke cellen.

Uit het onderzoek blijkt dat scherpe hoeken en gekartelde uitsteeksels langs de randen van grafeenvellen gemakkelijk celmembranen kunnen doorboren. Nadat het membraan is doorboord, een heel grafeenvel kan in de cel worden getrokken, waar het de normale functie kan verstoren. Het nieuwe inzicht kan nuttig zijn bij het vinden van manieren om de potentiële toxiciteit van grafeen te minimaliseren, zei Agnes Kane, voorzitter van de afdeling Pathologie en Laboratoriumgeneeskunde in Brown en een van de auteurs van het onderzoek.

"Op een fundamenteel niveau we willen de kenmerken van deze materialen begrijpen die verantwoordelijk zijn voor hoe ze interageren met cellen, "Zei Kane. "Als er een eigenschap is die verantwoordelijk is voor de toxiciteit, dan kunnen de ingenieurs het misschien uittekenen."

De bevindingen werden op 9 juli online gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

Ongeveer tien jaar geleden ontdekt, grafeen is een koolstoflaag van slechts één atoom dik. Het is ongelooflijk sterk ondanks dat het zo dun is en heeft opmerkelijke elektronische, mechanisch, en fotonische eigenschappen. Commerciële toepassingen in kleine elektronische apparaten, zonnepanelen, batterijen en zelfs medische apparaten liggen om de hoek. Maar er is niet veel bekend over het effect dat deze materialen kunnen hebben als ze tijdens het productieproces of tijdens de levenscyclus van een product in het lichaam terechtkomen.

"Deze stoffen kunnen onbedoeld worden ingeademd, of ze kunnen opzettelijk worden geïnjecteerd of geïmplanteerd als componenten van nieuwe biomedische technologieën, " zei Robert Hurt, hoogleraar engineering en een van de auteurs van de studie. "Dus we willen begrijpen hoe ze omgaan met cellen eenmaal in het lichaam."

Deze laatste bevindingen zijn het resultaat van een voortdurende samenwerking tussen biologen, ingenieurs, en materiaalwetenschappers bij Brown gericht op het begrijpen van het toxische potentieel van een grote verscheidenheid aan nanomaterialen. Hun werk aan grafeen begon met enkele schijnbaar tegenstrijdige bevindingen.

Voorlopig onderzoek door de biologiegroep van Kane had aangetoond dat grafeenvellen inderdaad cellen kunnen binnendringen, maar het was niet duidelijk hoe ze daar kwamen. Huajian Gao, hoogleraar techniek, probeerde die resultaten te verklaren met behulp van krachtige computersimulaties, maar hij liep tegen een probleem aan. Zijn modellen, die interacties tussen grafeen en celmembranen op moleculair niveau simuleren, suggereerde dat het vrij zeldzaam zou zijn dat een microblad een cel zou doorboren. De energiebarrière die nodig was voor een plaat om het membraan te snijden, was gewoon te hoog, zelfs wanneer het vel als eerste de rand raakt.

Het probleem bleek te zijn dat die eerste simulaties uitgingen van een perfect vierkant stuk grafeen. In werkelijkheid, grafeenplaten zijn zelden zo ongerept. Wanneer grafeen wordt geëxfolieerd, of verwijderd van dikkere brokken grafiet, de vellen komen los in vreemd gevormde vlokken met gekartelde uitsteeksels die oneffenheden worden genoemd. Toen Gao zijn simulaties opnieuw uitvoerde met inbegrip van oneffenheden, de platen konden veel gemakkelijker door het membraan heen.

Annette van dem Bussche, universitair docent pathologie en laboratoriumgeneeskunde, kon het model experimenteel verifiëren. Ze plaatste menselijke long, huid en immuuncellen in petrischalen samen met grafeen microsheets. Elektronenmicroscoopbeelden bevestigden dat grafeen de cellen binnendrong, beginnend bij ruwe randen en hoeken. De experimenten toonden aan dat zelfs vrij grote grafeenplaten tot 10 micrometer volledig door een cel konden worden geïnternaliseerd.

"De ingenieurs en de materiaalwetenschappers kunnen deze materialen tot in detail analyseren en beschrijven, " Zei Kane. "Dat stelt ons in staat om de biologische effecten van deze materialen beter te interpreteren. Het is echt een prachtige samenwerking."

Vanaf hier, de onderzoekers zullen in meer detail kijken naar wat er gebeurt als een grafeenvel in de cel komt. Maar Kane zegt dat deze eerste studie een belangrijke start biedt voor het begrijpen van het potentieel voor grafeentoxiciteit.

"Dit gaat over het veilig ontwerpen van nanomaterialen, "zei ze. "Het zijn door de mens gemaakte materialen, dus we moeten in staat zijn om slim te zijn en ze veiliger te maken."