Wetenschap
Beter dan grafeenmateriaalontwikkeling kan de implanteerbare technologie verbeteren
Beweeg over, grafeen. Er is een nieuw, verbeterd tweedimensionaal materiaal in het laboratorium. Borofeen, de atomair dunne versie van boor die voor het eerst werd gesynthetiseerd in 2015, is geleidender, dunner, lichter, sterker en flexibeler dan grafeen, de 2D-versie van koolstof.
Nu hebben onderzoekers van Penn State het materiaal potentieel bruikbaarder gemaakt door er chiraliteit (of handigheid) aan toe te voegen, wat zou kunnen zorgen voor geavanceerde sensoren en implanteerbare medische apparaten. De chiraliteit, geïnduceerd via een methode die nog nooit eerder op borofeen is gebruikt, zorgt ervoor dat het materiaal op unieke manieren kan interageren met verschillende biologische eenheden zoals cellen en eiwitvoorlopers.
Het team, onder leiding van Dipanjan Pan, Dorothy Foehr Huck &J. Lloyd Huck, voorzitter hoogleraar nanogeneeskunde en hoogleraar materiaalkunde en -techniek en kerntechniek, publiceerde hun werk – het eerste in zijn soort, zeiden ze – in ACS Nano .
"Borofeen is een zeer interessant materiaal, omdat het zeer sterk op koolstof lijkt, inclusief het atoomgewicht en de elektronenstructuur, maar met meer opmerkelijke eigenschappen. Onderzoekers beginnen pas de toepassingen ervan te verkennen", aldus Pan.
"Voor zover wij weten is dit de eerste studie die inzicht geeft in de biologische interacties van borofeen en het eerste rapport over het verlenen van chiraliteit aan borofeenstructuren."
Chiraliteit verwijst naar vergelijkbare maar niet identieke lichamelijkheid, zoals linker- en rechterhand. In moleculen kan chiraliteit ervoor zorgen dat biologische of chemische eenheden in twee versies bestaan die niet perfect op elkaar afgestemd kunnen worden, zoals in een linker en rechter want. Ze kunnen elkaar precies spiegelen, maar een linkerhandschoen past nooit zo goed bij de rechterhand als bij de linkerhand.
Borofeen is structureel polymorf, wat betekent dat de booratomen in verschillende configuraties kunnen worden gerangschikt om het verschillende vormen en eigenschappen te geven, net zoals hoe dezelfde set Lego-blokken in verschillende structuren kan worden ingebouwd. Dit geeft onderzoekers de mogelijkheid om borofeen te ‘afstemmen’ om het verschillende eigenschappen te geven, waaronder chiraliteit.
"Aangezien dit materiaal een opmerkelijk potentieel heeft als substraat voor implanteerbare sensoren, wilden we meer te weten komen over hun gedrag bij blootstelling aan cellen", aldus Pan. "Onze studie heeft voor de eerste keer ooit aangetoond dat verschillende polymorfe structuren van borofeen op verschillende manieren met cellen interageren en dat hun cellulaire internalisatieroutes op unieke wijze worden bepaald door hun structuren."
De onderzoekers synthetiseerden borofeenbloedplaatjes – vergelijkbaar met de cellulaire fragmenten die in bloed worden aangetroffen – met behulp van oplossingssynthese, waarbij een poedervormige versie van het materiaal in een vloeistof wordt blootgesteld aan een of meer externe factoren, zoals hitte of druk, totdat ze samenkomen in de gewenste product.
"We hebben het borofeen gemaakt door de boorpoeders te onderwerpen aan hoogenergetische geluidsgolven en deze bloedplaatjes vervolgens te mengen met verschillende aminozuren in een vloeistof om de chiraliteit te verlenen," zei Pan. "Tijdens dit proces merkten we dat de zwavelatomen in de aminozuren liever aan het borofeen bleven kleven dan de stikstofatomen van de aminozuren."
De onderzoekers ontdekten dat bepaalde aminozuren, zoals cysteïne, op verschillende locaties aan borofeen zouden binden, afhankelijk van hun chirale handigheid. De onderzoekers stelden de gechiraliseerde borofeenbloedplaatjes bloot aan zoogdiercellen in een schaaltje en merkten dat hun handigheid de manier veranderde waarop ze interageerden met celmembranen en cellen binnendrongen.
Volgens Pan zou deze bevinding toekomstige toepassingen kunnen informeren, zoals de ontwikkeling van medische beeldvorming met een hogere resolutie met contrast die celinteracties nauwkeurig zou kunnen volgen of een betere medicijnafgifte met nauwkeurig omschreven materiaal-celinteracties. Cruciaal is dat, zo zei hij, het begrijpen van de interactie van het materiaal met cellen – en het beheersen van die interacties – op een dag zou kunnen leiden tot veiligere, effectievere implanteerbare medische apparaten.
"De unieke structuur van Borofeen maakt effectieve magnetische en elektronische controle mogelijk", zei Pan, waarbij hij opmerkte dat het materiaal aanvullende toepassingen zou kunnen hebben in de gezondheidszorg, duurzame energie en meer. "Deze studie was nog maar het begin. We hebben verschillende projecten lopen om biosensoren, medicijnafgiftesystemen en beeldvormingstoepassingen voor borofeen te ontwikkelen."