Grafeen wordt geprezen als het materiaal van de toekomst. tot nu toe, echter, er is weinig bekend over of en hoe grafeen onze gezondheid beïnvloedt als het in het lichaam terechtkomt. Een team van onderzoekers van Empa en het Adolphe Merkle Institute (AMI) in Fribourg heeft nu de eerste onderzoeken uitgevoerd naar een driedimensionaal longmodel om het gedrag van grafeen en grafeenachtige materialen te onderzoeken nadat ze zijn ingeademd.

trek, scheurvast, zeer elastisch en elektrisch geleidend:grafeen heeft een verbazingwekkende reeks buitengewone eigenschappen, die revolutionaire toepassingen op een groot aantal gebieden mogelijk maken. Het is geen toeval dat de EU het Graphene Flagship-project heeft gelanceerd, die een miljard euro aan financiering geniet en het grootste Europese onderzoeksinitiatief is. Als onderdeel van dit enorme project, Empa brengt ook haar expertise ter tafel, aangezien potentiële gezondheidsaspecten en de impact op het menselijk organisme ook een sleutelrol spelen in het kader van dit pan-Europese grafeenonderzoek.

Deze activiteiten hebben nu geleid tot een aanvullend project gefinancierd door de Swiss National Science Foundation (SNSF), die onlangs werd gelanceerd op Empa en AMI. Het gaat om het gebruik van een cellulair 3D-longmodel, met behulp waarvan de onderzoekers hopen te achterhalen welke impact grafeen en grafeenachtige materialen kunnen hebben op de menselijke long onder zo realistisch mogelijke omstandigheden. Geen sinecure:tenslotte niet alle grafeen is hetzelfde. Afhankelijk van de productiemethode en verwerking, een breed scala aan vormen en kwaliteitsspectra van het materiaal ontstaat, wat op zijn beurt verschillende reacties in de long kan veroorzaken

Driedimensionale celculturen "inademen" deeltjes

Het onderzoeksteam onder leiding van Peter Wick, Tina Bürki en Jing Wang van Empa en Barbara Rothen-Rutishauser en Barbara Drasler van AMI publiceerden onlangs hun eerste resultaten in het tijdschrift Koolstof . Dankzij het 3D-longmodel, de onderzoekers zijn erin geslaagd om de werkelijke omstandigheden bij de bloed-luchtbarrière en de impact van grafeen op het longweefsel zo realistisch mogelijk na te bootsen - zonder proeven op dieren of mensen. Het is een celmodel dat de longblaasjes voorstelt. Conventionele in-vitrotests werken met celculturen van slechts één celtype - het nieuw vastgestelde longmodel, anderzijds, draagt ​​drie verschillende celtypes, die de omstandigheden in de long simuleren, namelijk alveolaire epitheelcellen en twee soorten immuuncellen - macrofagen en dendritische cellen.

Een andere factor die tot nu toe vrijwel genegeerd is in in-vitrotests, is het contact met grafeendeeltjes in de lucht. Gebruikelijk, cellen worden gekweekt in een voedingsoplossing in een petrischaal en blootgesteld aan materialen, zoals grafeen, in deze vorm. In werkelijkheid, echter, d.w.z. bij de longbarrière, het is een heel ander verhaal. "Het menselijk organisme komt typisch in contact met grafeendeeltjes via ademhaling, " legt Tina Bürki uit van Empa's Particles-Biology Interactions lab.

Met andere woorden, de deeltjes worden ingeademd en raken het longweefsel direct aan. Het nieuwe longmodel is zo ontworpen dat de cellen op een poreus filtermembraan aan het lucht-vloeistof grensvlak zitten en de onderzoekers met behulp van een vernevelaar grafeendeeltjes op de longcellen spuiten om het proces in het lichaam te simuleren. zo dicht mogelijk. De driedimensionale celcultuur "ademt" dus effectief grafeenstof in.

Geen acute schade ontdekt

Deze testen met het 3D-longmodel hebben inmiddels de eerste resultaten opgeleverd. De onderzoekers konden aantonen dat er geen acute schade aan de long ontstaat als longepitheelcellen in contact komen met grafeenoxide (GO) of grafeennanoplaatjes (BNP). Dit omvat reacties zoals plotselinge celdood, oxidatieve stress of ontsteking.

Om ook chronische veranderingen in het lichaam op te sporen, het SNSF-project heeft een looptijd van drie jaar; langetermijnstudies met het longmodel staan ​​vervolgens op de agenda. Naast pure grafeendeeltjes, Wick en zijn team stellen de longcellen ook bloot aan gewreven grafeendeeltjes gemaakt van composietmaterialen, die klassiek worden gebruikt om polymeren te versterken.

Jing Wang van Empa's Advanced Analytical Technologies-lab is ook betrokken. Om het aantal grafeendeeltjes waaraan mensen worden blootgesteld zo realistisch mogelijk te schatten, Wang bestudeert en kwantificeert de slijtage van composietmaterialen. Op basis van deze gegevens, het team stelt het 3D-longmodel bloot aan realistische omstandigheden en kan voorspellingen doen over de langetermijntoxiciteit van grafeen en grafeenachtige materialen.