Neuer Durchbruch im biomedizinischen Bereich: Graphenoxid, das durch menschliche Enzyme biologisch abbaubar ist

I. Einführung in die Struktur und Eigenschaften von Graphen

Forscher des europäischen Flaggschiff-Graphenforschungsprojekts haben kürzlich erklärt, wie eine Suspension von in Wasser suspendiertem Graphenoxid unter der Katalyse eines menschlichen Enzyms biologisch abbaubar ist und wie viel von diesem Abbau mit der kolloidalen Stabilität der Suspension zusammenhängt. Diese Studie hat eine große Führungsbedeutung für die zukünftige Anwendung von Materialien auf Graphenbasis in der Biomedizin.

Wie bei allen neuen Materialien auf dem Weg zur Industrialisierung haben die Gesundheits- und Sicherheitsprobleme, die Materialien auf Graphenbasis verursachen können, bei einer Vielzahl von Experten und der Öffentlichkeit großes Interesse geweckt. Die Entwicklung und Vermarktung von Materialien auf Graphenbasis befindet sich noch in einem frühen Stadium, und die damit verbundenen Umweltprobleme sowie Gesundheits- und Sicherheitsrisiken werden noch untersucht, hauptsächlich von Forschern, die am europäischen Flaggschiff-Graphenprojekt beteiligt sind. Das Vorzeigeprojekt ist ein großes internationales Konsortium mit akademischen und industriellen Partnerschaften, das teilweise von der Europäischen Kommission finanziert wird. Ziel ist es in erster Linie, sich auf die großen technologischen Herausforderungen zu konzentrieren und diese anzugehen, die Europa durch langfristige, multidisziplinäre Forschung bewältigen muss.

Die möglichen Auswirkungen zweidimensionaler Materialien auf Gesundheit und Sicherheit, einschließlich Graphen, stehen im Mittelpunkt der laufenden Forschung. Wenn es um die Kommerzialisierung von Materialien auf Graphenbasis geht, wird deren Beständigkeit und langfristige Anreicherung in der Umwelt zu einem zentralen Thema. Daher ist die sichere Entsorgung von Materialien auf Graphenbasis und anderen technischen Materialien zu einem sehr interessanten Thema geworden. Im Fall von Graphen hat diese zweidimensionale, oxidierte Form von Kohlenstoff aufgrund ihrer hohen Dispersion und Biokompatibilität in Wasser ein großes Potenzial für Arzneimittelfreisetzung, Bionik, Tissue Engineering, Biosensorik und andere verwandte Bereiche.

Go-Materialien sind in der biomedizinischen Technologie hochwirksam, aber ihre toxikologischen Wirkungen müssen auch systematisch untersucht und bewertet werden. Eine Reihe verwandter experimenteller Studien hat berichtet, dass Go-Materialien in einigen Fällen lebende Zellen schädigen und die Immunantwort des Körpers schwächen können. Zusammengenommen sind die Daten dieser Experimente jedoch ungewiss und in einigen Fällen widersprüchlich.

Graphen und viele seiner Verbindungen sind biokompatibel, aber nur wenige Studien haben über seine Abbaubarkeit berichtet. Aus diesem Grund untersuchte ein Team unter der Leitung von Albert Bianco, einem Experten des französischen Nationalforschungsrates und einem der Forscher hinter dem Vorzeigeprojekt, den enzymatischen Abbau von Graphenoxidmaterialien im Detail. In ihrer in der Zeitschrift Small veröffentlichten Studie zeigten die Forscher, dass Myeloperoxidase aus menschlichen weißen Blutkörperchen in Kombination mit einer geringen Menge Wasserstoffperoxid in geringen Konzentrationen die hochdispersen Graphenoxidproben vollständig metabolisieren konnte.

Der Hauptautor der Small-Studie war Rajendra Akurapati, ein Postdoktorand in Biancos Forschungsgruppe. Kurapati und Kollegen konzentrierten sich auf die Fähigkeit der Myeloperoxidase, drei verschiedene Graphenoxidproben abzubauen, die nach ihrer Dispersion in Wasser klassifiziert wurden. Und es ist wichtig zu beachten, dass es hier um Dispersion geht, nicht um die Konzentration des Materials. Es wurde gefunden, dass unter der Wirkung von Myeloperoxidase, je höher die Konzentration der Go-Suspension war, desto schwieriger der Abbau war und desto stabiler das Kolloid unter der Wirkung von Enzym vollständig zersetzt werden konnte. Chemisch gesehen hängt die Dispersion von go von den sauerstoffhaltigen Gruppen auf der Oberfläche des Graphenmaterials ab, was wiederum die biologische Abbaubarkeit des Materials beeinflusst.

Nachdem sie ihre Ergebnisse detailliert beschrieben hatten, begannen die Forscher, den Mechanismus zu diskutieren, durch den Go abgebaut wird, und begannen mit einem umfassenden Überblick darüber, wie Myeloperoxidase auf bakterien und andere invasive Materialien abzielt, die Entzündungen im biologischen Gewebe verursachen. Während einer Entzündung reichern sich Neutrophile, ein Subtyp der weißen Blutkörperchen, im infizierten Bereich an und scheiden Myeloperoxidase aus, die die chemische Reaktion zwischen Chloridionen und Wasserstoffperoxid katalysiert und starke Oxidationsmittel wie Hypochlorsäure erzeugt. Diese Oxidationsmittel haben antibakterielle Eigenschaften und können Polyestertransplantate, extrazellulären Zucker und Kohlenstoffnanoröhren abbauen. Die Autoren schlagen vor, dass das hohe REDOX-Potential dieser Oxidationsmittel, das durch eine durch Myeloperoxidase katalysierte chemische Reaktion erzeugt wird, das in Suspension befindliche Graphenoxidmaterial auf die gleiche Weise abbauen würde. Die Stellen, an denen das Material höchstwahrscheinlich zu zersetzen beginnt, sind an den Stellen konzentriert, an denen sich Kohlenstoffatome mit Sauerstoffatomen im Graphengitter verbinden. Darüber hinaus wirken sich Oberflächenladungen auf diesen Prozess aus, wie im Fall von Kohlenstoffnanoröhren. Dies deutet darauf hin, dass die Ladung das go stärker an das Enzym bindet, was dann den Abbau initiiert.

"Unsere experimentelle Studie zeigt, dass go durch Myeloperoxidase vollständig abgebaut wird, und die Ergebnisse legen auch nahe, dass die potenziellen Gesundheitsrisiken kontrolliert werden können, wenn Menschen oder andere Organismen versehentlich go einatmen." Bianco sagte: "Andererseits wird bei biomedizinischen Anwendungen bei der Verwendung von Materialien auf Graphenbasis als klinisch-biomedizinische Materialien auch deren biologische Abbaubarkeit berücksichtigt. Unsere Studie bietet eine sichere und umweltverträgliche neue Methode zur Behandlung von Materialien auf Graphenbasis "In ähnlicher Weise ist dies von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung von Materialien auf Graphenbasis als bioaktive Moleküle oder Freisetzungsvektoren für Arzneimittel.

Der spezifische Mechanismus des Graphenoxidabbaus ist noch ein Thema, das weiter untersucht und erforscht werden muss, aber die neuesten Forschungsergebnisse sind auch offensichtlich. In Gegenwart von Wasserstoffperoxid wird Graphenoxid unter Katalyse der Myeloperoxidase abgebaut. Darüber hinaus hängt der Grad des Abbaus von der kolloidalen Stabilität der Suspension ab, was darauf hindeutet, dass die hydrophilen Eigenschaften von go ein Hauptfaktor für seine Fähigkeit sind, durch Myeloperoxidase abgebaut zu werden. Daher sollte die Stabilität der Kolloide bei der Entwicklung von Materialien für biomedizinische Anwendungen berücksichtigt werden.

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