(Phys.org) —Una colaboración de biólogos, ingenieros y los científicos de materiales de la Universidad de Brown han descubierto que los bordes irregulares del grafeno pueden perforar fácilmente las membranas celulares, permitiendo que el grafeno entre en la célula e interrumpa la función normal. Comprender las fuerzas mecánicas de la nanotoxicidad debería ayudar a los ingenieros a diseñar materiales más seguros a nanoescala.

Investigadores de la Universidad de Brown han demostrado cómo las diminutas microhojas de grafeno (materiales ultrafinos con una serie de aplicaciones comerciales) podrían ser un gran problema para las células humanas.

La investigación muestra que las esquinas afiladas y las protuberancias irregulares a lo largo de los bordes de las láminas de grafeno pueden perforar fácilmente las membranas celulares. Después de perforar la membrana, Se puede tirar una hoja de grafeno completa dentro de la celda donde puede interrumpir el funcionamiento normal. La nueva información puede ser útil para encontrar formas de minimizar la toxicidad potencial del grafeno. dijo Agnes Kane, presidente del Departamento de Patología y Medicina de Laboratorio de Brown y uno de los autores del estudio.

"A un nivel fundamental, queremos comprender las características de estos materiales que son responsables de cómo interactúan con las células, ", Dijo Kane." Si hay alguna característica que sea responsable de su toxicidad, entonces tal vez los ingenieros puedan diseñarlo ".

Los hallazgos fueron publicados en línea el 9 de julio en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Descubierto hace aproximadamente una década, el grafeno es una hoja de carbono de un solo átomo de espesor. Es increíblemente fuerte a pesar de ser tan delgado y tiene una electrónica notable, mecánico, y propiedades fotónicas. Aplicaciones comerciales en pequeños dispositivos electrónicos, células solares, baterías e incluso dispositivos médicos están a la vuelta de la esquina. Pero no se sabe mucho sobre el efecto que podrían tener estos materiales si se introducen en el cuerpo durante el proceso de fabricación o durante el ciclo de vida de un producto.

"Estos materiales pueden inhalarse involuntariamente, o pueden inyectarse o implantarse intencionalmente como componentes de nuevas tecnologías biomédicas, "dijo Robert Hurt, profesor de ingeniería y uno de los autores del estudio. "Así que queremos entender cómo interactúan con las células una vez dentro del cuerpo".

Estos últimos hallazgos provienen de una colaboración continua entre biólogos, ingenieros y los científicos de materiales de Brown tenían como objetivo comprender el potencial tóxico de una amplia variedad de nanomateriales. Su trabajo sobre el grafeno comenzó con algunos hallazgos aparentemente contradictorios.

La investigación preliminar del grupo de biología de Kane había demostrado que las láminas de grafeno pueden entrar en las células, pero no estaba claro cómo llegaron allí. Huajian Gao, profesor de ingenieria, trató de explicar esos resultados utilizando potentes simulaciones por computadora, pero se encontró con un problema. Sus modelos, que simulan interacciones entre el grafeno y las membranas celulares a nivel molecular, sugirió que sería bastante raro que una microhoja perforara una celda. La barrera de energía requerida para que una hoja cortara la membrana era simplemente demasiado alta, incluso cuando la hoja golpea el borde primero.

El problema resultó ser que esas simulaciones iniciales asumieron una pieza perfectamente cuadrada de grafeno. En realidad, Las láminas de grafeno rara vez son tan prístinas. Cuando se exfolia el grafeno, o pelado de trozos más gruesos de grafito, las hojas se desprenden en escamas de formas extrañas con protuberancias irregulares llamadas asperezas. Cuando Gao repitió sus simulaciones con asperezas incluidas, las láminas pudieron perforar la membrana mucho más fácilmente.

Annette von dem Bussche, profesor asistente de patología y medicina de laboratorio, pudo verificar el modelo experimentalmente. Ella colocó pulmón humano, piel y células inmunes en placas de Petri junto con microhojas de grafeno. Las imágenes de microscopio electrónico confirmaron que el grafeno ingresó a las células comenzando por los bordes ásperos y las esquinas. Los experimentos demostraron que una célula podía internalizar completamente incluso láminas de grafeno bastante grandes de hasta 10 micrómetros.

"Los ingenieros y los científicos de materiales pueden analizar y describir estos materiales con gran detalle, ", Dijo Kane." Eso nos permite interpretar mejor los impactos biológicos de estos materiales. Realmente es una colaboración maravillosa ".

De aquí, los investigadores analizarán con más detalle lo que sucede una vez que una hoja de grafeno ingresa a la célula. Pero Kane dice que este estudio inicial proporciona un comienzo importante para comprender el potencial de toxicidad del grafeno.

"Se trata del diseño seguro de nanomateriales, ", dijo." Son materiales hechos por el hombre, por lo que deberíamos poder ser inteligentes y hacerlos más seguros ".