(Phys.org) —Una collaborazione di biologi, ingegneri, e gli scienziati dei materiali della Brown University hanno scoperto che i bordi frastagliati del grafene possono facilmente perforare le membrane cellulari, permettendo al grafene di entrare nella cellula e di interrompere la normale funzione. Comprendere le forze meccaniche della nanotossicità dovrebbe aiutare gli ingegneri a progettare materiali più sicuri su scala nanometrica.

I ricercatori della Brown University hanno dimostrato come minuscoli microfogli di grafene, materiali ultrasottili con una serie di applicazioni commerciali, potrebbero essere un grosso problema per le cellule umane.

La ricerca mostra che gli angoli acuti e le sporgenze frastagliate lungo i bordi dei fogli di grafene possono facilmente perforare le membrane cellulari. Dopo che la membrana è stata perforata, un intero foglio di grafene può essere tirato all'interno della cellula dove potrebbe interrompere la normale funzione. La nuova intuizione può essere utile per trovare modi per ridurre al minimo la potenziale tossicità del grafene, disse Agnes Kane, presidente del Dipartimento di Patologia e Medicina di Laboratorio della Brown e uno degli autori dello studio.

"A livello fondamentale, vogliamo capire le caratteristiche di questi materiali che sono responsabili di come interagiscono con le cellule, " disse Kane. "Se c'è qualche caratteristica che è responsabile della sua tossicità, allora forse gli ingegneri possono ingegnerizzarlo."

I risultati sono stati pubblicati online il 9 luglio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Scoperto circa un decennio fa, il grafene è un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo. È incredibilmente forte nonostante sia così sottile e ha un'elettronica notevole, meccanico, e proprietà fotoniche. Applicazioni commerciali in piccoli dispositivi elettronici, celle solari, le batterie e persino i dispositivi medici sono dietro l'angolo. Ma non si sa molto sull'effetto che questi materiali potrebbero avere se entrano nel corpo durante il processo di fabbricazione o durante il ciclo di vita di un prodotto.

"Questi materiali possono essere inalati involontariamente, oppure possono essere iniettati o impiantati intenzionalmente come componenti di nuove tecnologie biomediche, " ha detto Robert Hurt, professore di ingegneria e uno degli autori dello studio. "Quindi vogliamo capire come interagiscono con le cellule una volta all'interno del corpo".

Questi ultimi risultati provengono da una collaborazione in corso tra biologi, ingegneri, e gli scienziati dei materiali della Brown miravano a comprendere il potenziale tossico di un'ampia varietà di nanomateriali. Il loro lavoro sul grafene è iniziato con alcuni risultati apparentemente contraddittori.

La ricerca preliminare del gruppo di biologia di Kane aveva dimostrato che i fogli di grafene possono effettivamente entrare nelle cellule, ma non era chiaro come ci fossero arrivati. Huajian Gao, professore di ingegneria, cercato di spiegare quei risultati usando potenti simulazioni al computer, ma ha avuto un problema. I suoi modelli, che simulano le interazioni tra grafene e membrane cellulari a livello molecolare, suggerito che sarebbe abbastanza raro per un microsheet per perforare una cella. La barriera energetica richiesta da un foglio per tagliare la membrana era semplicemente troppo alta, anche quando il foglio ha colpito per primo il bordo.

Il problema si è rivelato essere che quelle simulazioni iniziali assumevano un pezzo di grafene perfettamente quadrato. In realtà, i fogli di grafene sono raramente così immacolati. Quando il grafene viene esfoliato, o staccati da pezzi più spessi di grafite, i fogli si staccano in fiocchi dalla forma strana con sporgenze frastagliate chiamate asperità. Quando Gao ha ripetuto le sue simulazioni con asperità incluse, i fogli erano in grado di perforare la membrana molto più facilmente.

Annette von dem Bussche, professore assistente di patologia e medicina di laboratorio, ha potuto verificare sperimentalmente il modello. Ha messo polmone umano, pelle e cellule immunitarie in piastre Petri insieme a microfogli di grafene. Le immagini al microscopio elettronico hanno confermato che il grafene è entrato nelle cellule a partire da spigoli e angoli irregolari. Gli esperimenti hanno mostrato che anche fogli di grafene abbastanza grandi, fino a 10 micrometri, potevano essere completamente interiorizzati da una cellula.

"Gli ingegneri e gli scienziati dei materiali possono analizzare e descrivere questi materiali in modo molto dettagliato, " Ha detto Kane. "Questo ci permette di interpretare meglio gli impatti biologici di questi materiali. È davvero una meravigliosa collaborazione".

Da qui, i ricercatori esamineranno più in dettaglio cosa succede una volta che un foglio di grafene entra nella cellula. Ma Kane afferma che questo studio iniziale fornisce un importante inizio per comprendere il potenziale della tossicità del grafene.

"Si tratta della progettazione sicura dei nanomateriali, " ha detto. "Sono materiali artificiali, quindi dovremmo essere in grado di essere intelligenti e renderli più sicuri".