Nanotechnologia

Grafen to nanomateriał utworzony z węgla o strukturze plastra miodu i grubości jednego atomu. Zapewnia wyjątkowe właściwości optyczne, termiczne, elektroniczne i mechaniczne. Materiał ten może być wytwarzany w postaci arkuszy, płatków oraz tlenku grafenu, a wszystkie z nich mogą być użyte w biomedycynie, zapewniając wiele różnych właściwości.

Aktualne badania dotyczące praktycznych zastosowań grafenu skupiają się na jego zastosowaniach w dostarczaniu leków. Ponadto grafen może służyć za materiał do budowy biosensorów, potencjalny środek przeciwbakteryjny i jako rusztowanie w inżynierii tkankowej.

Grafen do dostarczania leków

Jednym z najwcześniejszych zastosowań biomedycznych grafenu była poprawa dostarczania leków. Tlenek grafenu, wytwarzany przez utlenianie grafitu, po raz pierwszy przyjęto za odpowiedni nanonośnik w 2008 r. Duża, płaska struktura powierzchni i wzbogacone grupy zawierające tlen zapewniają biokompatybilność i rozpuszczalność, czyli właściwości, które są odpowiednie do dostarczania leków w ciele.

Tlenek grafenu zawiera grupy COOH i OH, które łatwo pozwalają na przyłączenie biomolekuł. W ramach badań zbadano zastosowanie tlenku grafenu do dostarczania leków przeciwnowotworowych i leków przeciwzapalnych. Chemo-fototermiczna terapia leczenia raka okazała się obiecująca dzięki układowi z tlenkiem grafenu o wysokim wskaźniku wychwytu w guzach.

Grafen jako biosensor

Biosensory są wykorzystywane do wykrywania cząsteczek biologicznych poprzez wytwarzanie mierzalnego sygnału. Jednowarstwowe arkusze grafenowe stanowią obiecujący materiał do wykorzystania w biosensorach, ponieważ ich właściwości obejmują wysoką wytrzymałość mechaniczną i przewodność cieplną, a także przestrajalną elektroniczną przerwę energetyczną. Grafen można również łatwo funkcjonalizować, aby wytworzyć biokompatybilną powierzchnię zarówno poprzez kowalencyjne, jak i niekowalencyjne wiązanie małych cząsteczek.

Grafen wykorzystuje się także w elektrochemicznych immunosensorach, w których na powierzchni elektrody wykrywane są kompleksy antygen-przeciwciało, przydatne do diagnozowania chorób za pomocą przenośnego urządzenia. Poprzez utworzenie immunosensora na powierzchni grafenu opracowano technikę wykrywania ważnego biomarkera raka, alfa-fetoproteiny (AFP). Dzięki budowie ulepszonego szlaku transferu elektronów, wywołanego przez immunokompleks AFP, zwiększono także wydajność powierzchni grafenowej.

Grafen jako czynnik biologiczny

Przy rosnącym ryzyku związanym z opornością na antybiotyki, kluczowe znaczenie ma opracowanie nowych rodzajów środków przeciwbakteryjnych. Wyniki uzyskane z użyciem tlenku grafenu zawieszonego metodą filtracji próżniowej, wykazały działanie antybakteryjne materiału. Sygnatury spektroskopowe biomolekuł, takich jak nukleozasady DNA i białka, analizowano i porównano między hodowlami bakterii Escherichia coli i Enterococcus faecalis przy różnych stężeniach tlenku grafenu. Większa spektroskopowa sygnatura nukleozasad i białek wytwarzanych z kultur potraktowanych tlenkiem grafenu wskazuje na podstawowy mechanizm działania przeciwbakteryjnego. Wynika to z faktu, że większe stężenia analizowanych biomolekuł są związane z indukowaną śmiercią bakteryjną, co dodatkowo potwierdza obserwacja przy użyciu tradycyjnej mikroskopii. Badanie wskazuje, że metody wykorzystujące grafen będą mogły mieć duże znaczenie w opracowywaniu nowych środków przeciwbakteryjnych w erze post-antybiotykowej.

Grafen w inżynierii tkankowej

Naukowcy zajmujący się inżynierią tkankową wciąż poszukują idealnego materiału, który zapewniłby odpowiednią adhezję, różnicowanie i wzrost komórek. W najnowszych badaniach odkryto, że grafen wykazuje niezbędną biokompatybilność z komórkami ssaków. W badaniu komórek kostnych z niezróżnicowanych komórek macierzystych na rusztowaniu grafenowym wykazano, że film oparty na grafenie przyspiesza różnicowanie komórek macierzystych. Grafen wykazuje także wysoką wytrzymałość mechaniczną, co czyni go potencjalnie odpowiednim materiałem do zastosowań inżynierii tkankowej. Technologia ta może być stosowana w przyszłości podczas zabiegów chirurgicznych na tkankach twardych, w szczególności w celu wzmocnienia sztucznych implantów kostnych.

Źródło.

Redaktor: Aleksandra Laska