I ricercatori di Graphene Flagship mostrano come l'ossido di grafene sospeso nell'acqua si biodegrada in una reazione catalizzata da un enzima umano, con l'efficacia della rottura dipendente dalla stabilità colloidale della sospensione. Lo studio dovrebbe guidare lo sviluppo di applicazioni biomediche a base di grafene.

Come per tutti i nuovi materiali con promesse industriali, c'è un notevole interesse da parte di esperti e pubblico per gli aspetti di salute e sicurezza del grafene. Lo sviluppo e lo sfruttamento commerciale del grafene è in una fase iniziale, e il suo ambiente, i rischi per la salute e la sicurezza sono oggetto di indagine da parte di ricercatori collegati all'iniziativa europea Graphene Flagship. Il fiore all'occhiello è un grande consorzio internazionale di partner accademici e industriali, cofinanziato dalla Commissione Europea, che si concentra sulla necessità per l'Europa di affrontare le grandi sfide scientifiche e tecnologiche attraverso sforzi di ricerca multidisciplinari.

I potenziali impatti sulla salute e sulla sicurezza del grafene e di altri materiali bidimensionali sono al centro di intensi sforzi di ricerca. La persistenza e l'accumulo ambientale sono questioni chiave quando si tratta di sfruttamento di materiali a base di grafene, e lo smaltimento sicuro di questi e altri materiali ingegnerizzati alla fine della loro vita utile è di particolare interesse. Quando si tratta di grafene in particolare, la forma ossidata di questo allotropo bidimensionale del carbonio è molto promettente per l'uso nella somministrazione di farmaci, bio-immagine, Ingegneria dei tessuti, biorilevamento e una serie di altre applicazioni correlate, per la sua elevata disperdibilità in acqua e biocompatibilità.

Se l'ossido di grafene deve avere un ruolo produttivo nelle tecnologie biomediche, i suoi effetti tossicologici devono essere valutati sistematicamente. Gli studi hanno dimostrato che l'ossido di grafene può in alcune situazioni danneggiare le cellule viventi e attenuare la risposta immunitaria. Se considerati insieme, però, i risultati dei vari esperimenti effettuati fino ad oggi sono inconcludenti, e in alcuni casi contraddittoria.

Il grafene e i suoi vari composti possono essere biocompatibili, ma molto poco è stato riportato sulla biodegradazione. A quello scopo, ricercatori di punta guidati da Alberto Bianco, un chimico organico presso il Consiglio nazionale delle ricerche francese a Strasburgo, hanno esaminato in dettaglio la biodegradazione dell'ossido di grafene da parte di un enzima. Riportare i loro risultati nel giornale Piccolo , i ricercatori dimostrano che la mieloperossidasi – derivata dai globuli bianchi umani in presenza di una bassa concentrazione di perossido di idrogeno – può metabolizzare completamente l'ossido di grafene nel caso di campioni altamente dispersi.

Il primo autore di Piccolo carta è Rajendra Kurapati, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Bianco. Kurapati e i suoi colleghi hanno concentrato la loro attenzione sulla capacità della mieloperossidasi di degradare tre campioni di ossido di grafene, classificati in base al grado di disperdibilità in acqua. È importante notare che qui stiamo parlando di disperdibilità piuttosto che di concentrazione materiale. Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che le sospensioni altamente aggregate di ossido di grafene non riescono a biodegradarsi in presenza di mieloperossidasi, ma i colloidi più stabili vengono completamente scomposti dall'enzima. In termini chimici, la disperdibilità dell'ossido di grafene dipende dai gruppi di ossigeno presenti sulla superficie del grafene, e questo a sua volta riguarda la biodegradazione.

Dopo aver dettagliato i risultati del loro esperimento, i ricercatori discutono il meccanismo di degradazione dell'ossido di grafene, iniziando con una sintesi del processo mediante il quale la mieloperossidasi agisce contro l'infezione da microbi e altri materiali invasivi che infiammano i tessuti biologici. Durante il processo infiammatorio, neutrofili, un sottotipo di globuli bianchi, si raccolgono nel sito di infezione e secernono mieloperossidasi, che catalizza una reazione chimica con ioni cloruro e perossido di idrogeno per produrre forti ossidanti come l'acido ipocloroso. Questi ossidanti hanno qualità antimicrobiche, e sono anche noti per degradare gli impianti a base di poliestere, zuccheri extracellulari e nanotubi di carbonio ossidati.

Gli autori dello studio suggeriscono che gli elevati potenziali redox degli ossidanti prodotti nella reazione catalizzata dalla mieloperossidasi potrebbero degradare in modo simile l'ossido di grafene tenuto in sospensione. La degradazione del materiale probabilmente inizia a livello degli atomi di carbonio collegati all'ossigeno nel reticolo del grafene, e centrale in questo è l'acido ipocloroso prodotto nella reazione. Si pensa che anche la carica elettrica di superficie contribuisca, come nel caso dei nanotubi di carbonio ossidati, poiché favorisce il forte legame dell'ossido di grafene con l'enzima, e successivamente ne innesca il degrado.

"Il nostro studio dimostra la completa scomposizione dell'ossido di grafene da parte della mieloperossidasi, e i risultati indicano che l'inalazione accidentale di ossido di grafene presenta un rischio per la salute gestibile nell'uomo e in altre specie, "dice Bianco. "D'altra parte, anche la traduzione di materiali a base di grafene in biomateriali clinicamente sicuri per applicazioni biomediche è giudicata dalla biodegradabilità. La nostra ricerca potrebbe fornire un metodo per lo smaltimento sicuro per l'ambiente dei materiali a base di grafene. Potrebbe anche guidare lo sviluppo di vettori biocompatibili a base di grafene per la somministrazione di molecole bioattive".

Il meccanismo dettagliato per la biodegradazione dell'ossido di grafene è oggetto di ulteriori indagini, ma i risultati dell'ultimo studio sono chiari. L'ossido di grafene si decompone in presenza di perossido di idrogeno, in una reazione catalizzata dall'enzima mieloperossidasi. Il grado di degradazione dipende dalla stabilità colloidale della sospensione, which indicates that the hydrophilic nature of graphene oxide is a key factor in its breakdown by enzymes. Colloidal stability should therefore be considered when engineering graphene oxide materials for biomedical applications.