Questa immagine di un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione mostra uno degli agenti di contrasto per risonanza magnetica a base di grafene della Rice University, nanoparticelle che misurano circa 10 nanometri di diametro e sono così sottili da essere difficili da distinguere. Credito:C.S. Tiwari/Rice University
Grafene, i fogli di carbonio atomicamente sottili che gli scienziati dei materiali sperano di utilizzare per qualsiasi cosa, dalla nanoelettronica agli sbrinatori per aerei, alle batterie e agli impianti ossei, possono anche trovare uso come agenti di contrasto per la risonanza magnetica (MRI), secondo una nuova ricerca della Rice University.
"Hanno molti vantaggi rispetto ai mezzi di contrasto convenzionalmente disponibili, La ricercatrice del riso Sruthi Radhakrishnan ha detto dei punti quantici a base di grafene che ha studiato negli ultimi due anni. "Praticamente tutti gli agenti di contrasto ampiamente utilizzati contengono metalli tossici, ma il nostro materiale non ha metallo. è solo carbonio, idrogeno, ossigeno e fluoro, e in tutti i nostri test finora non ha mostrato segni di tossicità".
I risultati iniziali delle nanoparticelle di Rice, dischi di grafene decorati con atomi di fluoro e semplicemente molecole organiche che li rendono magnetici, sono descritti in un nuovo articolo sulla rivista Particle and Particle Systems Characterization.
Pulickel Ajayan, lo scienziato dei materiali di riso che sta dirigendo il lavoro, ha affermato che i punti quantici di ossido di grafene fluorurato potrebbero essere particolarmente utili come agenti di contrasto per la risonanza magnetica perché potrebbero essere mirati a tipi specifici di tessuti.
"Esistono metodi collaudati per attaccare i biomarcatori alle nanoparticelle di carbonio, quindi si potrebbe facilmente immaginare di usare questi punti quantici per sviluppare agenti di contrasto specifici del tessuto, " ha detto Ajayan. "Per esempio, questo metodo potrebbe essere utilizzato per mirare selettivamente a specifici tipi di cancro o lesioni cerebrali causate dal morbo di Alzheimer. Quel tipo di specificità non è disponibile con i mezzi di contrasto odierni".
Sruthi Radhakrishnan, studente laureato alla Rice University, ha trascorso due anni a sviluppare un processo per creare punti quantici a base di grafene che potrebbero essere utilizzati come agenti di contrasto per la risonanza magnetica. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Gli scanner MRI producono immagini delle strutture interne del corpo utilizzando forti campi magnetici e onde radio. Come test diagnostici, La risonanza magnetica spesso fornisce maggiori dettagli rispetto ai raggi X senza le radiazioni nocive, e come risultato, L'utilizzo della risonanza magnetica è aumentato notevolmente negli ultimi dieci anni. Ogni anno negli Stati Uniti vengono eseguite più di 30 milioni di risonanze magnetiche.
Radhakrishnan ha affermato che il suo lavoro è iniziato nel 2014 dopo che il team di ricerca di Ajayan ha scoperto che l'aggiunta di fluoro alla grafite o al grafene ha fatto sì che i materiali si presentassero bene nelle scansioni MRI.
Tutti i materiali sono influenzati da campi magnetici, compresi i tessuti animali. Negli scanner MRI, un potente campo magnetico fa sì che i singoli atomi in tutto il corpo si allineino magneticamente. Un impulso di energia radio viene utilizzato per interrompere questo allineamento, e la macchina misura quanto tempo impiega gli atomi nelle diverse parti del corpo a riallinearsi. Sulla base di queste misure, lo scanner può costruire un'immagine dettagliata delle strutture interne del corpo.
Gli agenti di contrasto per MRI riducono il tempo necessario ai tessuti per riallinearsi e migliorano significativamente la risoluzione delle scansioni MRI. Quasi tutti i mezzi di contrasto disponibili in commercio sono costituiti da metalli tossici come il gadolinio, ferro o manganese.
"Abbiamo lavorato con un team del MD Anderson Cancer Center per valutare la citocompatibilità dei punti quantici di ossido di grafene fluorurato, " Radhakrishnan ha detto. "Abbiamo utilizzato un test che misura l'attività metabolica delle colture cellulari e rileva la tossicità come un calo dell'attività metabolica. Abbiamo incubato punti quantici in colture di cellule renali per un massimo di tre giorni e non abbiamo riscontrato morte cellulare significativa nelle colture, anche alle più alte concentrazioni."
A differenza della maggior parte dei mezzi di contrasto per risonanza magnetica attualmente utilizzati, I punti quantici di ossido di grafene fluorurato della Rice University non contengono metalli tossici e potrebbero essere mirati a tipi specifici di tessuti. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Gli studi sui punti quantici di Radhakrishnan sull'ossido di grafene fluorurato possono essere fatti in meno di un giorno, ma ha trascorso due anni a perfezionare la ricetta per loro. Inizia con fogli di grafene di dimensioni micron che sono stati fluorurati e ossidati. Quando questi vengono aggiunti a un solvente e agitati per diverse ore, si rompono in pezzi più piccoli. Rimpicciolire il materiale non è difficile, ma il processo per produrre piccole particelle con le proprietà magnetiche appropriate è impegnativo. Radhakrishnan ha detto che non c'è stato "momento eureka" in cui ha improvvisamente ottenuto i giusti risultati inciampando sulla formula migliore. Piuttosto, il progetto è stato caratterizzato da miglioramenti incrementali attraverso dozzine di modifiche minori.
"Ha richiesto molta ottimizzazione, " ha detto. "La ricetta conta molto."
Radhakrishnan ha detto che ha intenzione di continuare a studiare il materiale e spera di avere una mano nel dimostrare che è sicuro ed efficace per i test clinici di risonanza magnetica.
"Mi piacerebbe vederlo applicato commercialmente in modi clinici perché ha molti vantaggi rispetto agli agenti disponibili convenzionalmente, " lei disse.
