De combinatie van grafeen nanoribbons gemaakt met een proces ontwikkeld aan de Rice University en een gemeenschappelijk polymeer kan ooit van cruciaal belang zijn voor het genezen van beschadigd ruggenmerg bij mensen, volgens Rice scheikundige James Tour.

Het Tour-lab heeft tien jaar gewerkt met grafeen-nanoribbons, te beginnen met de ontdekking van een chemisch proces om ze te "uitpakken" van meerwandige koolstofnanobuisjes, zoals onthuld in een Nature-paper in 2009. Sindsdien de onderzoekers hebben ze gebruikt om materialen te verbeteren voor bijvoorbeeld deicers voor vliegtuigvleugels, betere batterijen en minder doorlatende containers voor aardgasopslag.

Nu heeft hun werk om nanolinten voor medische toepassingen te ontwikkelen geresulteerd in een materiaal genaamd Texas-PEG dat kan helpen bij het breien van beschadigd of zelfs doorgesneden ruggenmerg.

Een paper over de resultaten van voorlopige diermodeltests verschijnt vandaag in het tijdschrift Chirurgische Neurologie Internationaal .

Grafeen nanoribbons aangepast voor medisch gebruik door William Sikkema, een afgestudeerde Rice-student en co-hoofdauteur van het artikel, zijn zeer goed oplosbaar in polyethyleenglycol (PEG), een biocompatibele polymeergel die wordt gebruikt bij operaties, farmaceutische producten en in andere biologische toepassingen. Wanneer de biocompatibele nanoribbons hun randen hebben gefunctionaliseerd met PEG-ketens en vervolgens verder worden gemengd met PEG, ze vormen een elektrisch actief netwerk dat de afgehakte uiteinden van een ruggenmerg helpt opnieuw te verbinden.

"Neuronen groeien mooi op grafeen omdat het een geleidend oppervlak is en het stimuleert neuronale groei, ' zei Tour.

In experimenten bij Rice en elders, neuronen zijn waargenomen die langs grafeen groeien.

"We zijn niet het enige laboratorium dat neuronen heeft aangetoond die groeien op grafeen in een petrischaaltje, " zei hij. "Het verschil is dat andere laboratoria vaak experimenteren met in water oplosbaar grafeenoxide, dat veel minder geleidend is dan grafeen, of niet-geribde structuren van grafeen.

"We hebben een manier ontwikkeld om wateroplosbaarmakende polymeerketens aan de randen van onze nanolinten toe te voegen die hun geleidbaarheid behouden en ze oplosbaar maken, en we beginnen nu pas het potentieel hiervan te zien in biomedische toepassingen, " zei hij. Hij voegde eraan toe dat met lintvormige grafeenstructuren veel kleinere hoeveelheden kunnen worden gebruikt met behoud van een geleidend pad dat de beschadigde ruggenmerg overbrugt.

Tour zei dat slechts 1 procent van Texas-PEG uit nanolinten bestaat, maar dat is genoeg om een ​​geleidende steiger te vormen waardoor het ruggenmerg zich opnieuw kan verbinden.

Texas-PEG slaagde erin de functie te herstellen bij een knaagdier met een doorgesneden ruggenmerg in een procedure die werd uitgevoerd aan de Konkuk University in Zuid-Korea door co-auteurs Bae Hwan Lee en C-Yoon Kim. Tour zei dat het materiaal op betrouwbare wijze motorische en sensorische neuronale signalen toestond om de kloof te overbruggen 24 uur na volledige transsectie van het ruggenmerg en bijna perfect herstel van de motorische controle na twee weken.

"Dit is een grote vooruitgang ten opzichte van eerder werk met alleen PEG, die gedurende dezelfde periode geen herstel van sensorische neuronale signalen gaf en slechts 10 procent motorische controle gedurende vier weken, ' zei Tour.

Het project begon toen Sikkema las over het werk van de Italiaanse neurochirurg Sergio Canavero. Sikkema dacht dat nanoribbons onderzoek zouden kunnen verbeteren dat afhankelijk was van het vermogen van PEG om de fusie van celmembranen te bevorderen door elektrische geleidbaarheid en directionele controle voor neuronen toe te voegen terwijl ze de opening tussen delen van het ruggenmerg overspannen. Contact met de arts leidde tot een samenwerking met de Zuid-Koreaanse onderzoekers.

Tour zei dat het potentieel van Texas-PEG om patiënten met ruggenmergletsel te helpen te veelbelovend is om te worden geminimaliseerd. "Ons doel is om dit te ontwikkelen als een manier om dwarslaesie aan te pakken. We denken dat we op de goede weg zijn, " hij zei.

"Dit is een opwindende neurofysiologische analyse na volledige doorsnijding van een ruggenmerg, " zei Tour. "Het is geen gedrags- of locomotiefstudie van de daaropvolgende reparatie. De tangentiële enkelvoudige locomotiefanalyse hier is een intrigerende marker, maar het is niet in een statistisch significante reeks dieren. De volgende fasen van de studie zullen de locomotief- en gedragsvaardigheden met statistische relevantie benadrukken om te beoordelen of deze kwaliteiten de gunstige neurofysiologie volgen die we hier hebben vastgelegd."