grafeen, de atomair dunne vellen koolstof die materiaalwetenschappers hopen te gebruiken voor alles, van nano-elektronica en vliegtuigontdooiers tot batterijen en botimplantaten, kunnen ook worden gebruikt als contrastmiddelen voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), Dat blijkt uit nieuw onderzoek van Rice University.

"Ze hebben veel voordelen ten opzichte van conventioneel beschikbare contrastmiddelen, Rijstonderzoeker Sruthi Radhakrishnan zei over de op grafeen gebaseerde kwantumstippen die ze de afgelopen twee jaar heeft bestudeerd. Vrijwel alle veelgebruikte contrastmiddelen bevatten giftige metalen. maar ons materiaal heeft geen metaal. Het is gewoon koolstof, waterstof, zuurstof en fluor, en in al onze tests tot nu toe heeft het geen tekenen van toxiciteit vertoond."

De eerste bevindingen voor de nanodeeltjes van Rice - schijven van grafeen die zijn versierd met fluoratomen en gewoon organische moleculen die ze magnetisch maken - worden beschreven in een nieuw artikel in het tijdschrift Particle and Particle Systems Characterization.

Pulickel Ajayan, de Rice materiaalwetenschapper die het werk leidt, zei dat de kwantumdots van gefluoreerd grafeenoxide bijzonder nuttig kunnen zijn als MRI-contrastmiddelen, omdat ze op specifieke soorten weefsels kunnen worden gericht.

"Er zijn beproefde methoden om biomarkers aan koolstofnanodeeltjes te hechten, dus men zou zich gemakkelijk kunnen voorstellen dat deze kwantumstippen zouden worden gebruikt om weefselspecifieke contrastmiddelen te ontwikkelen, " zei Ajayan. "Bijvoorbeeld, deze methode zou kunnen worden gebruikt om specifieke soorten kanker of hersenlaesies veroorzaakt door de ziekte van Alzheimer selectief aan te pakken. Dat soort specificiteit is niet beschikbaar met de huidige contrastmiddelen."

MRI-scanners maken beelden van de interne structuren van het lichaam met behulp van sterke magnetische velden en radiogolven. Als diagnostische tests, MRI's geven vaak meer details dan röntgenfoto's zonder de schadelijke straling, en als een resultaat, Het gebruik van MRI is de afgelopen tien jaar sterk gestegen. Jaarlijks worden in de VS meer dan 30 miljoen MRI's uitgevoerd.

Radhakrishnan zei dat haar werk in 2014 begon nadat het onderzoeksteam van Ajayan ontdekte dat het toevoegen van fluor aan grafiet of grafeen ervoor zorgde dat de materialen goed zichtbaar waren op MRI-scans.

Alle materialen worden beïnvloed door magnetische velden, inclusief dierlijke weefsels. Bij MRI-scanners een krachtig magnetisch veld zorgt ervoor dat individuele atomen door het hele lichaam magnetisch worden uitgelijnd. Een puls van radio-energie wordt gebruikt om deze afstemming te verstoren, en de machine meet hoe lang het duurt voordat de atomen in verschillende delen van het lichaam opnieuw zijn uitgelijnd. Op basis van deze maatregelen de scanner kan een gedetailleerd beeld opbouwen van de interne structuren van het lichaam.

MRI-contrastmiddelen verkorten de tijd die nodig is om weefsels opnieuw uit te lijnen en verbeteren de resolutie van MRI-scans aanzienlijk. Bijna alle in de handel verkrijgbare contrastmiddelen zijn gemaakt van giftige metalen zoals gadolinium, ijzer of mangaan.

"We werkten samen met een team van het MD Anderson Cancer Center om de cytocompatibiliteit van gefluoreerde grafeenoxide-kwantumdots te beoordelen, " zei Radhakrishnan. "We gebruikten een test die de metabolische activiteit van celculturen meet en toxiciteit detecteert als een daling van de metabolische activiteit. We hebben tot drie dagen kwantumdots in niercelculturen geïncubeerd en geen significante celdood in de culturen gevonden, zelfs bij de hoogste concentraties."

De Radhakrishnan-studies met gefluoreerde grafeenoxide-quantumdots kunnen in minder dan een dag worden uitgevoerd, maar ze bracht twee jaar door met het perfectioneren van het recept voor hen. Ze begint met micron-formaat vellen grafeen die zijn gefluoreerd en geoxideerd. Wanneer deze worden toegevoegd aan een oplosmiddel en enkele uren worden geroerd, ze breken in kleinere stukjes. Het materiaal kleiner maken is niet moeilijk, maar het proces voor het maken van kleine deeltjes met de juiste magnetische eigenschappen is veeleisend. Radhakrishnan zei dat er geen "eureka-moment" was waarin ze plotseling de juiste resultaten behaalde door te struikelen over de beste formule. Liever, het project werd gekenmerkt door incrementele verbeteringen door middel van tientallen kleine wijzigingen.

"Het vergde veel optimalisatie, "zei ze. "Het recept is erg belangrijk."

Radhakrishnan zei dat ze van plan is het materiaal te blijven bestuderen en hoopt uiteindelijk een bijdrage te kunnen leveren aan het bewijzen dat het veilig en effectief is voor klinische MRI-tests.

"Ik zou graag zien dat het commercieel op klinische manieren wordt toegepast, omdat het veel voordelen heeft in vergelijking met conventioneel beschikbare middelen, " ze zei.