Toen milieu- en bodemchemicus Baoshan Xing van de Universiteit van Massachusetts Amherst in 2014 begon te lezen dat een nieuwe, tweedimensionaal materiaal dat bekend staat als gelaagde zwarte fosfor (BP) kreeg de aandacht van biomedische onderzoekers voor gebruik in medicijnafgiftesystemen en fotothermische therapie voor tumoren, hij was zowel geïntrigeerd als bezorgd.

"Ik ben niet alleen bodemchemicus, maar een milieuchemicus, " merkt hij op. "Als landbouwwetenschappers, we zijn erg bekend met fosfor, maar ik had nog nooit gehoord van tweedimensionale zwarte fosfor. Dus we lazen alle mooie kranten over zwarte fosfor, en dan, als milieuchemici, we begonnen te vragen naar de toxiciteit van nanodeeltjes. Je moet voorzichtig zijn waar je dergelijke materialen in het menselijk lichaam stopt."

In een recent omslagartikel van het tijdschrift, Klein , zijn voormalige postdoctorale fellow, Qing Zhao, momenteel een professor aan het Instituut voor Toegepaste Ecologie van de Chinese Academie van Wetenschappen, en Xing rapporteren toxiciteitstestresultaten voor verschillende diktes van gelaagde BP in drie cellijnen. Kort, ze vonden verstoring van de integriteit van het celmembraan gerelateerd aan de gelaagde BP-deeltjesgrootte, plus concentratie- en celtype-afhankelijke cytotoxiciteit.

Xing zegt, "Wij zijn een van de eersten die met dit materiaal werken, met name met betrekking tot de gevolgen voor het milieu." Hij en collega's dringen erop aan dat "een diepgaand begrip van de cytotoxiciteit van BP van het grootste belang is" om bruikbare gegevens te verstrekken voor risico-evaluatie en veilige biomedische toepassingen.

De onderzoekers erkennen dat het nieuwe materiaal, die wordt verzameld als dunne monsters van fosforkristallen door een techniek die bekend staat als exfoliëren, dat is, het afscheren van lagen van verschillende diktes, heeft "unieke optische en elektrische eigenschappen, " wat het "een veelbelovende kandidaat zou kunnen maken voor een efficiënt medicijnafgiftevehikel en fotothermische / fotodynamische therapie bij de behandeling van een verscheidenheid aan kankers."

Xing zegt, "Ik herinner me dat enkellaags grafeen tien jaar geleden grote opwinding veroorzaakte in de onderzoeksgemeenschap, en ik denk dat mensen nu enthousiast worden over een enkele laag zwarte fosfor, dat het veel opwindende toepassingen kan hebben." Maar de twee materialen verschillen veel in hun enkellaagse structuur, hij voegt toe, waar enkellaags grafeen perfect vlak is, geëxfolieerde BP heeft een zigzagstructuur.

Zhao, Xing en hun collega's wijzen erop dat tot nu toe uitgevoerde onderzoeken naar gelaagde BP-toxiciteit levensvatbaarheidsreagentia hebben gebruikt, die de cytotoxiciteitsresultaten kunnen verstoren. Daarentegen, ze hebben een labelvrije, real-time celanalyse (RTCA) techniek die geen fluorescerende of colorimetrische levensvatbaarheidsreagentia nodig heeft.

Het testen van gelaagde BP-toxiciteit in drie celtypen, muisfibroblastcellen (NIH 3T3), menselijke colonepitheelcellen (HCoEpiC) en menselijke embryonale niercellen (293T), het UMass Amherst en het Chinese onderzoeksteam ontdekten dat de cytotoxiciteit van gelaagde BP gebaseerd is op het feit dat het reactieve zuurstofsoorten (ROS) genereert. ROS behoren tot de meest krachtige celbeschadigende middelen die bekend zijn. Gelaagde BP verstoort ook de celmembraanintegriteit op een deeltjesgrootte-afhankelijke manier. "Hoe groter de BP is, minder membraanintegriteit zal behouden blijven, " merken ze op.

Verder, ze zeggen dat de IC50-waarden van gelaagde BP tientallen keren kunnen verschillen, afhankelijk van de deeltjesgrootte en het celtype. IC50-waarden verwijzen naar een maatstaf van hoe effectief een materiaal is in het remmen van een specifieke biologische functie. Xing en collega's dringen erop aan dat "speciale aandacht moet worden besteed aan de grootte van gelaagde BP en de soorten doelcellijnen voor toepassing op biomedisch gebied."

Ze voegen toe, "Verder onderzoek is ongetwijfeld nodig om de cytotoxiciteitsmechanismen diepgaand te onderzoeken, " en dat "gezien de resultaten van onze huidige studie, de mechanismen van de cytotoxiciteit van BP zijn opvallend gecompliceerd en hebben belangrijke implicaties voor de risico-evaluatie en veilige biomedische toepassingen van BP."

Ze zijn van plan om door te gaan met verdere experimenten om hun hypothese te testen dat BP gelaagd, met zijn ongebruikelijke elektrische eigenschappen, kan nuttig zijn bij het verwijderen van zowel positief als negatief geladen chemicaliën en organische verontreinigingen uit water.