(Phys.org) - uma colaboração de biólogos, engenheiros, e cientistas de materiais da Brown University descobriram que bordas irregulares de grafeno podem facilmente perfurar as membranas celulares, permitindo que o grafeno entre na célula e interrompa a função normal. Compreender as forças mecânicas da nanotoxicidade deve ajudar os engenheiros a projetar materiais mais seguros em nanoescala.

Pesquisadores da Brown University mostraram como minúsculas micro-folhas de grafeno - materiais ultrafinos com uma série de aplicações comerciais - podem ser um grande problema para as células humanas.

A pesquisa mostra que cantos agudos e saliências irregulares ao longo das bordas das folhas de grafeno podem facilmente perfurar as membranas celulares. Depois que a membrana é perfurada, uma folha inteira de grafeno pode ser puxada para dentro da célula, onde pode interromper o funcionamento normal. O novo insight pode ser útil para encontrar maneiras de minimizar a toxicidade potencial do grafeno, disse Agnes Kane, presidente do Departamento de Patologia e Medicina Laboratorial da Brown e um dos autores do estudo.

"Em um nível fundamental, queremos entender as características desses materiais que são responsáveis ​​por como eles interagem com as células, "Kane disse." Se há alguma característica que é responsável por sua toxicidade, então talvez os engenheiros possam projetá-lo. "

As descobertas foram publicadas online em 9 de julho em Proceedings of the National Academy of Sciences .

Descoberto há cerca de uma década, o grafeno é uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura. É incrivelmente forte apesar de ser tão fino e tem uma eletrônica notável, mecânico, e propriedades fotônicas. Aplicações comerciais em pequenos dispositivos eletrônicos, células solares, baterias e até mesmo dispositivos médicos estão ao virar da esquina. Mas não se sabe muito sobre o efeito que esses materiais podem ter se entrarem no corpo durante o processo de fabricação ou durante o ciclo de vida de um produto.

"Esses materiais podem ser inalados involuntariamente, ou podem ser injetados ou implantados intencionalmente como componentes de novas tecnologias biomédicas, "disse Robert Hurt, professor de engenharia e um dos autores do estudo. "Então, queremos entender como eles interagem com as células uma vez dentro do corpo."

Essas últimas descobertas vêm de uma colaboração contínua entre biólogos, engenheiros, e cientistas de materiais em Brown com o objetivo de compreender o potencial tóxico de uma ampla variedade de nanomateriais. Seu trabalho com o grafeno começou com algumas descobertas aparentemente contraditórias.

A pesquisa preliminar do grupo de biologia de Kane mostrou que as folhas de grafeno podem de fato entrar nas células, mas não ficou claro como eles chegaram lá. Huajian Gao, professor de engenharia, tentou explicar esses resultados usando simulações de computador poderosas, mas ele teve um problema. Seus modelos, que simulam as interações entre o grafeno e as membranas celulares a nível molecular, sugeriu que seria muito raro uma micro-folha perfurar uma célula. A barreira de energia necessária para que uma folha corte a membrana era simplesmente muito alta, mesmo quando a folha atinge a borda primeiro.

O problema acabou sendo que aquelas simulações iniciais assumiram uma peça perfeitamente quadrada de grafeno. Na realidade, as folhas de grafeno raramente são tão primitivas. Quando o grafeno é esfoliado, ou descascado de pedaços mais grossos de grafite, as folhas saem em flocos de formato estranho com saliências irregulares chamadas de asperezas. Quando Gao refez suas simulações com asperezas incluídas, as folhas foram capazes de perfurar a membrana com muito mais facilidade.

Annette von dem Bussche, professor assistente de patologia e medicina laboratorial, foi capaz de verificar o modelo experimentalmente. Ela colocou pulmão humano, pele e células do sistema imunológico em placas de Petri, juntamente com micro-folhas de grafeno. As imagens do microscópio eletrônico confirmaram que o grafeno entrou nas células começando nas arestas e cantos. Os experimentos mostraram que mesmo folhas de grafeno razoavelmente grandes de até 10 micrômetros podem ser completamente internalizadas por uma célula.

"Os engenheiros e cientistas de materiais podem analisar e descrever esses materiais detalhadamente, "Kane disse." Isso nos permite interpretar melhor os impactos biológicos desses materiais. É realmente uma colaboração maravilhosa. "

Daqui, os pesquisadores examinarão com mais detalhes o que acontece quando uma folha de grafeno entra na célula. Mas Kane diz que este estudo inicial fornece um ponto de partida importante para a compreensão do potencial de toxicidade do grafeno.

"Trata-se do design seguro de nanomateriais, "disse ela." São materiais feitos pelo homem, portanto, devemos ser capazes de ser inteligentes e torná-los mais seguros. "