Nuevo avance en el campo biomédico: óxido de grafeno biodegradable por enzimas humanas

I. Introducción a la estructura y propiedades del grafeno.

Investigadores del proyecto de investigación insignia europeo sobre grafeno explicaron recientemente cómo una suspensión de óxido de grafeno suspendido en agua es biodegradable bajo la catálisis de una enzima humana, y qué parte de esta degradación está relacionada con la estabilidad coloidal de la suspensión. Este estudio tiene una gran importancia orientadora para la futura aplicación de materiales basados en grafeno en biomedicina.

Al igual que con todos los materiales nuevos en el camino hacia la industrialización, los problemas de salud y seguridad que pueden causar los materiales basados en grafeno han atraído un interés considerable de una amplia gama de expertos y del público. El desarrollo y la comercialización de materiales basados en grafeno aún se encuentra en sus primeras etapas, y los problemas ambientales, los riesgos para la salud y la seguridad asociados a ellos aún están siendo estudiados, principalmente por investigadores involucrados en el proyecto insignia europeo de grafeno. El proyecto insignia es un gran consorcio internacional con asociaciones académicas e industriales, financiado en parte por la Comisión Europea. El objetivo es principalmente centrarse y abordar los grandes desafíos tecnológicos que Europa necesita abordar mediante una investigación multidisciplinaria a largo plazo.

Las posibles implicaciones para la salud y la seguridad de los materiales bidimensionales, incluido el grafeno, son un foco de investigación en curso. Cuando se trata de la comercialización de materiales a base de grafeno, su persistencia y acumulación a largo plazo en el medio ambiente se convierte en un tema clave. Por lo tanto, cómo desechar de forma segura los materiales a base de grafeno y otros materiales de ingeniería se ha convertido en un tema muy interesante. En el caso del grafeno, esta forma de carbono oxidada bidimensional tiene un gran potencial para la liberación de fármacos, biónica, ingeniería de tejidos, biosensores y otros campos relacionados, todo debido a su alta dispersión y biocompatibilidad en agua.

Los materiales de Go son altamente efectivos en tecnología biomédica, pero sus efectos toxicológicos también deben estudiarse y evaluarse sistemáticamente. Varios estudios experimentales relacionados han informado que, en algunos casos, los materiales metálicos pueden dañar las células vivas y debilitar la respuesta inmunitaria del cuerpo. Pero en conjunto, las fechas de estos experimentos son inciertas y, en algunos casos, contradictorias.

El grafeno y muchos de sus compuestos son biocompatibles, pero pocos estudios han informado sobre su degradabilidad. Por esta razón, un equipo dirigido por Albert bianco, experto del consejo nacional de investigación francés y uno de los investigadores detrás del proyecto insignia, examinó en detalle la degradación enzimática de los materiales de óxido de grafeno. En su estudio, publicado en la revista Small, los investigadores demostraron que la mieloperoxidasa de los glóbulos blancos humanos, combinada con una pequeña cantidad de peróxido de hidrógeno en concentraciones bajas, pudo metabolizar completamente las muestras de óxido de grafeno altamente dispersas.

El autor principal del estudio Small fue rajendra akurapati, estudiante postdoctoral del grupo de investigación de Bianco. Kurapati y sus colegas se centraron en la capacidad de la mieloperoxidasa para degradar tres muestras diferentes de óxido de grafeno, que se clasificaron según su dispersión en agua. Y es importante señalar que aquí estamos hablando de dispersión, no de concentración del material. Se encontró que bajo la acción de la mieloperoxidasa, cuanto mayor era la concentración de suspensión de go, más difícil era degradarlo y el coloide más estable podía descomponerse completamente bajo la acción de la enzima. Químicamente, la dispersión de go depende de los grupos que contienen oxígeno en la superficie del material de grafeno, lo que a su vez afecta la biodegradabilidad del material.

Después de detallar sus resultados, los investigadores comenzaron a discutir el mecanismo por el cual se degrada el go, comenzando con una amplia descripción de cómo la mieloperoxidasa ataca a las bacterias y otros materiales invasivos que causan inflamación en el tejido biológico. Durante la inflamación, los neutrófilos, un subtipo de glóbulos blancos, se acumulan en el área infectada y secretan mieloperoxidasa, que cataliza la reacción química entre los iones cloruro y el peróxido de hidrógeno para producir oxidantes fuertes, como el ácido hipocloroso. Estos oxidantes tienen propiedades antibacterianas y pueden degradar injertos de poliéster, azúcares extracelulares y nanotubos de carbono. Los autores sugieren que el alto potencial REDOX de estos oxidantes producidos por una reacción química catalizada por mieloperoxidasa degradaría el material de óxido de grafeno en suspensión de la misma manera. Los lugares donde es más probable que el material comience a descomponerse se concentran en los lugares donde los átomos de carbono se combinan con los átomos de oxígeno en la red de grafeno. Además, las cargas superficiales influyen en este proceso, como en el caso de los nanotubos de carbono. Esto sugiere que la carga hace que el go se una con más fuerza a la enzima, que luego inicia la degradación.

"Nuestro estudio experimental demuestra que el go es completamente degradado por la mieloperoxidasa, y los resultados también sugieren que si las personas u otros organismos lo inhalan accidentalmente, se pueden controlar los riesgos potenciales para la salud". Bianco dijo: "por otro lado, en aplicaciones biomédicas, el uso de materiales basados en grafeno como materiales biomédicos clínicos también tendrá en cuenta su biodegradabilidad. Nuestro estudio proporciona un nuevo método seguro y ecológico para el tratamiento de materiales basados en grafeno . "De manera similar, esto es de gran importancia orientadora para el desarrollo posterior de materiales basados en grafeno como moléculas bioactivas o vectores de liberación para medicamentos médicos.

El mecanismo específico de degradación del óxido de grafeno sigue siendo un tema que debe estudiarse y explorarse más a fondo, pero los últimos resultados de las investigaciones también son obvios. En presencia de peróxido de hidrógeno, el óxido de grafeno se degrada bajo la catálisis de la mieloperoxidasa. Además, el grado de degradación depende de la estabilidad coloidal de la suspensión, lo que sugiere que las propiedades hidrófilas del go son un factor importante en su capacidad para ser degradado por la mieloperoxidasa. Por lo tanto, la estabilidad de los coloides debe tenerse en cuenta cuando la ingeniería utiliza materiales para aplicaciones biomédicas.

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