Graphene Flagship-onderzoekers laten zien hoe grafeenoxide gesuspendeerd in water biologisch afbreekt in een reactie die wordt gekatalyseerd door een menselijk enzym, waarbij de effectiviteit van de afbraak afhankelijk is van de colloïdale stabiliteit van de suspensie. De studie moet de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde biomedische toepassingen begeleiden.

Zoals met alle nieuwe materialen met industriële belofte, er is veel deskundige en publieke belangstelling voor de gezondheids- en veiligheidsaspecten van grafeen. De ontwikkeling en commerciële exploitatie van grafeen bevindt zich in een vroeg stadium, en zijn milieu, gezondheids- en veiligheidsrisico's worden onderzocht door onderzoekers die verbonden zijn aan Europa's Graphene Flagship. Het vlaggenschip is een groot internationaal consortium van academische en industriële partners, medegefinancierd door de Europese Commissie, dat zich richt op de noodzaak voor Europa om de grote wetenschappelijke en technologische uitdagingen aan te gaan door middel van langetermijn, multidisciplinaire onderzoeksinspanningen.

De potentiële gezondheids- en veiligheidseffecten van grafeen en andere tweedimensionale materialen zijn een focus van intensieve onderzoeksinspanningen. Duurzaamheid en accumulatie van het milieu zijn belangrijke kwesties als het gaat om de exploitatie van op grafeen gebaseerde materialen, en het veilig weggooien van deze en andere technische materialen aan het einde van hun nuttige levensduur is van bijzonder belang. Als het specifiek om grafeen gaat, de geoxideerde vorm van deze tweedimensionale allotroop van koolstof is veelbelovend voor gebruik bij medicijnafgifte, bio-beeldvorming, weefsel engineering, biosensing en een aantal andere gerelateerde toepassingen, vanwege zijn hoge dispergeerbaarheid in water en biocompatibiliteit.

Als grafeenoxide een productieve rol moet spelen in biomedische technologieën, de toxicologische effecten ervan moeten systematisch worden geëvalueerd. Studies hebben aangetoond dat grafeenoxide in sommige situaties levende cellen kan beschadigen en de immuunrespons kan verzwakken. Samen beschouwd, echter, de resultaten van de verschillende experimenten die tot nu toe zijn uitgevoerd, zijn niet overtuigend, en in sommige gevallen tegenstrijdig.

Grafeen en zijn verschillende verbindingen kunnen biocompatibel zijn, maar er is zeer weinig gerapporteerd over biologische afbraak. Daartoe, vlaggenschiponderzoekers onder leiding van Alberto Bianco, een organisch chemicus bij de Franse Nationale Onderzoeksraad in Straatsburg, hebben in detail gekeken naar de biologische afbraak van grafeenoxide door een enzym. Hun resultaten rapporteren in het tijdschrift Klein , de onderzoekers laten zien dat myeloperoxidase - afgeleid van menselijke witte bloedcellen in aanwezigheid van een lage concentratie waterstofperoxide - grafeenoxide volledig kan metaboliseren in het geval van sterk verspreide monsters.

De eerste auteur van de Klein papier is Rajendra Kurapati, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Bianco. Kurapati en zijn collega's richtten hun aandacht op het vermogen van myeloperoxidase om drie grafeenoxidemonsters af te breken, ingedeeld naar mate van dispergeerbaarheid in water. Belangrijk om op te merken is dat we het hier hebben over dispergeerbaarheid in plaats van materiaalconcentratie. Wat de onderzoekers ontdekten, is dat sterk geaggregeerde suspensies van grafeenoxide niet biologisch afbreekbaar zijn in de aanwezigheid van myeloperoxidase, maar de stabielere colloïden worden volledig afgebroken door het enzym. In chemische termen, de dispergeerbaarheid van grafeenoxide hangt af van de zuurstofgroepen die aanwezig zijn op het grafeenoppervlak, en dit heeft weer betrekking op biologische afbraak.

Na de bevindingen van hun experiment in detail te hebben beschreven, de onderzoekers bespreken het mechanisme van de afbraak van grafeenoxide, te beginnen met een samenvatting van het proces waarmee myeloperoxidase inwerkt tegen infectie door microben en andere invasieve materialen die biologische weefsels ontsteken. Tijdens het ontstekingsproces neutrofielen, een subtype van witte bloedcellen, verzamelen zich op de infectieplaats en scheiden myeloperoxidase af, die een chemische reactie katalyseert met chloride-ionen en waterstofperoxide om sterke oxidatiemiddelen zoals hypochloorzuur te produceren. Deze oxidanten hebben antimicrobiële eigenschappen, en het is ook bekend dat ze op polyester gebaseerde implantaten afbreken, extracellulaire suikers en nanobuisjes van geoxideerde koolstof.

De auteurs van het onderzoek suggereren dat de hoge redox-potentialen van oxidanten geproduceerd in de door myeloperoxidase gekatalyseerde reactie op een vergelijkbare manier grafeenoxide dat in suspensie wordt gehouden, kunnen afbreken. Materiaalafbraak begint waarschijnlijk op het niveau van koolstofatomen verbonden met zuurstof in het grafeenrooster, en centraal hierin staat het bij de reactie geproduceerde hypochloorzuur. Er wordt ook gedacht dat elektrische lading aan het oppervlak bijdraagt, zoals in het geval van nanobuisjes van geoxideerde koolstof, omdat het de sterke binding van grafeenoxide met het enzym bevordert, en leidt vervolgens tot degradatie.

"Onze studie toont de volledige afbraak van grafeenoxide door myeloperoxidase aan, en de resultaten geven aan dat accidentele inademing van grafeenoxide een beheersbaar gezondheidsrisico vormt bij mensen en andere soorten, " zegt Bianco. "Aan de andere kant, de vertaling van op grafeen gebaseerde materialen in klinisch veilige biomaterialen voor biomedische toepassingen wordt ook beoordeeld op biologische afbreekbaarheid. Ons onderzoek kan een methode bieden voor de milieuveilige verwijdering van op grafeen gebaseerde materialen. Het kan ook leiden tot de ontwikkeling van biocompatibele op grafeen gebaseerde dragers voor de levering van bioactieve moleculen."

Het gedetailleerde mechanisme voor de biologische afbraak van grafeenoxide is onderwerp van verder onderzoek, maar de bevindingen van de laatste studie zijn duidelijk. Graphene oxide breaks down in the presence of hydrogen peroxide, 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.