Los investigadores de Graphene Flagship muestran cómo el óxido de grafeno suspendido en el agua se biodegrada en una reacción catalizada por una enzima humana. con la eficacia de la descomposición dependiente de la estabilidad coloidal de la suspensión. El estudio debería orientar el desarrollo de aplicaciones biomédicas basadas en grafeno.

Al igual que con todos los materiales nuevos con promesa industrial, Existe un interés considerable de expertos y público en los aspectos de salud y seguridad del grafeno. El desarrollo y la explotación comercial del grafeno se encuentran en una etapa inicial, y su medio ambiente, Los riesgos para la salud y la seguridad están siendo investigados por investigadores vinculados al Graphene Flagship de Europa. El buque insignia es un gran consorcio internacional de socios académicos e industriales, cofinanciado por la Comisión Europea, que se centra en la necesidad de que Europa aborde los grandes desafíos científicos y tecnológicos a largo plazo, esfuerzos de investigación multidisciplinarios.

Los posibles impactos en la salud y la seguridad del grafeno y otros materiales bidimensionales son un foco de intensos esfuerzos de investigación. La persistencia y acumulación ambiental son cuestiones clave cuando se trata de la explotación de materiales a base de grafeno. y la eliminación segura de estos y otros materiales de ingeniería al final de su vida útil es de particular interés. Cuando se trata de grafeno específicamente, la forma oxidada de este alótropo bidimensional de carbono es muy prometedora para su uso en la administración de fármacos, bioimagen, Ingeniería de tejidos, biodetección y una serie de otras aplicaciones relacionadas, debido a su alta dispersabilidad acuosa y biocompatibilidad.

Para que el óxido de grafeno tenga un papel productivo en las tecnologías biomédicas, sus efectos toxicológicos deben evaluarse sistemáticamente. Los estudios han demostrado que, en algunas situaciones, el óxido de grafeno puede dañar las células vivas y atenuar la respuesta inmunitaria. Cuando se consideran juntos, sin embargo, los resultados de los diversos experimentos llevados a cabo hasta la fecha no son concluyentes, y en algunos casos contradictorio.

El grafeno y sus diversos compuestos pueden ser biocompatibles, pero se ha informado muy poco sobre la biodegradación. Con ese fin, investigadores insignia liderados por Alberto Bianco, químico orgánico del Consejo Nacional de Investigación de Francia en Estrasburgo, han examinado en detalle la biodegradación del óxido de grafeno por una enzima. Informar sus resultados en la revista Pequeña , Los investigadores muestran que la mieloperoxidasa, derivada de glóbulos blancos humanos en presencia de una baja concentración de peróxido de hidrógeno, puede metabolizar completamente el óxido de grafeno en el caso de muestras muy dispersas.

El primer autor de la Pequeña el papel es Rajendra Kurapati, investigador postdoctoral en el grupo de Bianco. Kurapati y sus colegas centraron su atención en la capacidad de la mieloperoxidasa para degradar tres muestras de óxido de grafeno. clasificado según el grado de dispersabilidad en agua. Es importante señalar que aquí estamos hablando de dispersabilidad más que de concentración de material. Lo que encontraron los investigadores es que las suspensiones altamente agregadas de óxido de grafeno no se biodegradan en presencia de mieloperoxidasa, pero los coloides más estables son completamente degradados por la enzima. En términos químicos, la dispersabilidad del óxido de grafeno depende de los grupos de oxígeno presentes en la superficie del grafeno, y esto, a su vez, se relaciona con la biodegradación.

Después de detallar los hallazgos de su experimento, los investigadores discuten el mecanismo de degradación del óxido de grafeno, comenzando con un resumen del proceso por el cual la mieloperoxidasa actúa contra la infección por microbios y otros materiales invasivos que inflaman los tejidos biológicos. Durante el proceso de inflamación, neutrófilos un subtipo de glóbulos blancos, se acumulan en el sitio de la infección y secretan mieloperoxidasa, que cataliza una reacción química con iones cloruro y peróxido de hidrógeno para producir oxidantes fuertes como el ácido hipocloroso. Estos oxidantes tienen cualidades antimicrobianas, y también se sabe que degradan los implantes a base de poliéster, azúcares extracelulares y nanotubos de carbono oxidados.

Los autores del estudio sugieren que los altos potenciales redox de los oxidantes producidos en la reacción catalizada por mieloperoxidasa podrían degradar de manera similar el óxido de grafeno mantenido en suspensión. La descomposición del material probablemente comienza al nivel de los átomos de carbono conectados con el oxígeno en la red de grafeno, y fundamental para esto es el ácido hipocloroso producido en la reacción. También se cree que la carga eléctrica superficial contribuye, como ocurre con los nanotubos de carbono oxidados, ya que favorece la fuerte unión del óxido de grafeno con la enzima, y posteriormente desencadena su degradación.

"Nuestro estudio demuestra la descomposición completa del óxido de grafeno por la mieloperoxidasa, y los resultados indican que la inhalación accidental de óxido de grafeno presenta un riesgo de salud manejable en humanos y otras especies, "dice Bianco." Por otro lado, la traducción de materiales basados ​​en grafeno en biomateriales clínicamente seguros para aplicaciones biomédicas también se juzga por su biodegradabilidad. Nuestra investigación puede proporcionar un método para la eliminación ambientalmente segura de materiales a base de grafeno. También podría orientar el desarrollo de vehículos basados ​​en grafeno biocompatibles para el suministro de moléculas bioactivas ".

El mecanismo detallado para la biodegradación del óxido de grafeno es un tema de investigación adicional, pero los hallazgos del último estudio son claros. El óxido de grafeno se degrada en presencia de peróxido de hidrógeno, en una reacción catalizada por la enzima mieloperoxidasa. El grado de degradación depende de la estabilidad coloidal de la suspensión, 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.