Il grafene è stato salutato come il materiale del futuro. Finora, però, si sa poco se e come il grafene influisca sulla nostra salute se entra nel corpo. Un team di ricercatori dell'Empa e dell'Adolphe Merkle Institute (AMI) di Friburgo ha ora condotto i primi studi su un modello polmonare tridimensionale per esaminare il comportamento del grafene e dei materiali simili al grafene una volta inalati.

trazione, antistrappo, altamente elastico ed elettricamente conduttivo:il grafene ha una serie sorprendente di proprietà straordinarie, che consentono applicazioni rivoluzionarie in una vasta gamma di campi. Non è un caso che l'UE abbia lanciato il progetto Graphene Flagship, che gode di un miliardo di euro di finanziamento ed è la più grande iniziativa di ricerca europea. Come parte di questo enorme progetto, Empa porta in tavola anche la sua competenza, poiché anche i potenziali aspetti sanitari e l'impatto sull'organismo umano svolgono un ruolo chiave nell'ambito di questa ricerca paneuropea sul grafene.

Queste attività hanno ora generato un ulteriore progetto finanziato dal Fondo nazionale svizzero per la scienza (FNS), che è stato recentemente lanciato all'Empa e all'AMI. Si tratta di utilizzare un modello polmonare 3D cellulare, con l'aiuto del quale i ricercatori sperano di scoprire quale impatto potrebbero avere il grafene e i materiali simili al grafene sul polmone umano in condizioni il più realistiche possibile. Non è un'impresa da poco:dopo tutto, non tutto il grafene è uguale. A seconda del metodo di produzione e lavorazione, emerge una vasta gamma di forme e spettri qualitativi del materiale, che a sua volta può innescare diverse risposte nel polmone

Colture cellulari tridimensionali "inalano" particelle

Il gruppo di ricerca guidato da Peter Wick, Tina Bürki e Jing Wang dell'Empa e Barbara Rothen-Rutishauser e Barbara Drasler dell'AMI hanno recentemente pubblicato i loro primi risultati sulla rivista Carbonio . Grazie al modello polmonare 3-D, i ricercatori sono riusciti a simulare le condizioni reali alla barriera sangue-aria e l'impatto del grafene sul tessuto polmonare nel modo più realistico possibile, senza alcun test sugli animali o sull'uomo. È un modello cellulare che rappresenta gli alveoli polmonari. I test in vitro convenzionali funzionano con colture cellulari di un solo tipo di cellula:il modello polmonare di nuova costituzione, d'altra parte, porta tre diversi tipi di cellule, che simulano le condizioni all'interno del polmone, vale a dire cellule epiteliali alveolari e due tipi di cellule immunitarie:macrofagi e cellule dendritiche.

Un altro fattore che finora è stato praticamente ignorato nei test in vitro è il contatto con le particelle di grafene nell'aria. Generalmente, le cellule vengono coltivate in una soluzione nutritiva in una capsula di Petri ed esposte a materiali, come il grafene, in questa forma. In realtà, però, cioè alla barriera polmonare, è una storia completamente diversa. "L'organismo umano di solito entra in contatto con le particelle di grafene attraverso la respirazione, " spiega Tina Bürki del laboratorio Particles-Biology Interactions dell'Empa.

In altre parole, le particelle vengono inalate e toccano direttamente il tessuto polmonare. Il nuovo modello di polmone è progettato in modo tale che le cellule poggino su una membrana filtrante porosa all'interfaccia aria-liquido e i ricercatori spruzzano particelle di grafene sulle cellule polmonari con l'aiuto di un nebulizzatore per simulare il processo nel corpo il più vicino possibile. La coltura cellulare tridimensionale quindi "respira" efficacemente la polvere di grafene.

Nessun danno acuto scoperto

Questi test con il modello polmonare 3D hanno ora dato i primi risultati. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che nessun danno acuto è causato al polmone se le cellule epiteliali polmonari entrano in contatto con ossido di grafene (GO) o nanopiastrine di grafene (GNP). Ciò include risposte come la morte improvvisa delle cellule, stress ossidativo o infiammazione.

Al fine di tracciare anche i cambiamenti cronici nel corpo, il progetto FNS avrà una durata di tre anni; gli studi a lungo termine che utilizzano il modello polmonare sono i prossimi all'ordine del giorno. Oltre alle particelle di grafene puro, Wick e il suo team espongono anche le cellule polmonari a particelle di grafene strofinate fatte di materiali compositi, che sono tradizionalmente usati per rinforzare i polimeri.

È coinvolto anche Jing Wang del laboratorio Advanced Analytical Technologies dell'Empa. Per stimare il numero di particelle di grafene a cui gli esseri umani sono esposti nel modo più realistico possibile, Wang sta studiando e quantificando l'abrasione dei materiali compositi. Sulla base di questi dati, il team espone il modello polmonare 3D a condizioni realistiche ed è in grado di fare previsioni sulla tossicità a lungo termine del grafene e dei materiali simili al grafene.