Pesquisadores do Graphene Flagship mostram como o óxido de grafeno suspenso em água é biodegradado em uma reação catalisada por uma enzima humana, com a eficácia da quebra dependente da estabilidade coloidal da suspensão. O estudo deve orientar o desenvolvimento de aplicações biomédicas baseadas em grafeno.

Tal como acontece com todos os novos materiais com promessa industrial, há considerável interesse público e especializado nos aspectos de saúde e segurança do grafeno. O desenvolvimento e a exploração comercial do grafeno estão em um estágio inicial, e seu ambiente, os riscos para a saúde e a segurança estão sendo investigados por pesquisadores vinculados à Europa, o Graphene Flagship. O carro-chefe é um grande consórcio internacional de parceiros acadêmicos e industriais, co-financiado pela Comissão Europeia, que se concentra na necessidade de a Europa enfrentar os grandes desafios científicos e tecnológicos a longo prazo, esforços de pesquisa multidisciplinar.

Os impactos potenciais sobre a saúde e a segurança do grafeno e de outros materiais bidimensionais são um foco de intensos esforços de pesquisa. A persistência e o acúmulo ambientais são questões fundamentais quando se trata da exploração de materiais à base de grafeno, e o descarte seguro desses e de outros materiais de engenharia no final de suas vidas úteis é de particular interesse. Quando se trata de grafeno especificamente, a forma oxidada deste alótropo bidimensional de carbono é uma promessa considerável para uso na entrega de drogas, bioimagem, engenharia de tecidos, biossensor e uma série de outras aplicações relacionadas, devido à sua alta dispersibilidade aquosa e biocompatibilidade.

Para que o óxido de grafeno tenha um papel produtivo nas tecnologias biomédicas, seus efeitos toxicológicos devem ser avaliados sistematicamente. Estudos demonstraram que o óxido de grafeno pode, em algumas situações, danificar células vivas e atenuar a resposta imunológica. Quando considerados juntos, Contudo, os resultados dos vários experimentos realizados até o momento são inconclusivos, e em alguns casos contraditórios.

O grafeno e seus vários compostos podem ser biocompatíveis, mas muito pouco foi relatado sobre a biodegradação. Para esse fim, pesquisadores emblemáticos liderados por Alberto Bianco, um químico orgânico do Conselho Nacional de Pesquisa da França em Estrasburgo, examinaram em detalhes a biodegradação do óxido de grafeno por uma enzima. Relatando seus resultados no jornal Pequena , os pesquisadores mostram que a mieloperoxidase - derivada dos glóbulos brancos humanos na presença de uma baixa concentração de peróxido de hidrogênio - pode metabolizar completamente o óxido de grafeno no caso de amostras altamente dispersas.

O primeiro autor do Pequena o papel é Rajendra Kurapati, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Bianco. Kurapati e seus colegas concentraram sua atenção na capacidade da mieloperoxidase de degradar três amostras de óxido de grafeno, classificado de acordo com o grau de dispersibilidade na água. É importante notar que estamos falando aqui sobre dispersibilidade e não sobre concentração de material. O que os pesquisadores descobriram é que suspensões altamente agregadas de óxido de grafeno não se biodegradam na presença de mieloperoxidase, mas os colóides mais estáveis ​​são completamente decompostos pela enzima. Em termos químicos, a dispersibilidade do óxido de grafeno depende dos grupos de oxigênio presentes na superfície do grafeno, e isso, por sua vez, está relacionado à biodegradação.

Depois de detalhar as descobertas de seu experimento, os pesquisadores discutem o mecanismo de degradação do óxido de grafeno, começando com um resumo do processo pelo qual a mieloperoxidase atua contra a infecção por micróbios e outros materiais invasivos que inflamam os tecidos biológicos. Durante o processo de inflamação, neutrófilos, um subtipo de glóbulos brancos, se reúnem no local da infecção e secretam mieloperoxidase, que catalisa uma reação química com íons cloreto e peróxido de hidrogênio para produzir oxidantes fortes, como o ácido hipocloroso. Esses oxidantes têm qualidades antimicrobianas, e também são conhecidos por degradar implantes à base de poliéster, açúcares extracelulares e nanotubos de carbono oxidados.

Os autores do estudo sugerem que os altos potenciais redox de oxidantes produzidos na reação catalisada por mieloperoxidase podem degradar de forma semelhante o óxido de grafeno mantido em suspensão. A decomposição do material provavelmente começa no nível dos átomos de carbono conectados com o oxigênio na rede de grafeno, e o ponto central disso é o ácido hipocloroso produzido na reação. Acredita-se que a carga elétrica de superfície também contribua, como acontece no caso de nanotubos de carbono oxidados, uma vez que favorece a forte ligação do óxido de grafeno com a enzima, e subsequentemente desencadeia sua degradação.

"Nosso estudo demonstra a decomposição completa do óxido de grafeno pela mieloperoxidase, e os resultados indicam que a inalação acidental de óxido de grafeno apresenta um risco administrável à saúde em humanos e outras espécies, "diz Bianco." Por outro lado, a tradução de materiais à base de grafeno em biomateriais clinicamente seguros para aplicações biomédicas também é avaliada pela biodegradabilidade. Nossa pesquisa pode fornecer um método para o descarte ambientalmente seguro de materiais à base de grafeno. Também pode orientar o desenvolvimento de transportadores biocompatíveis à base de grafeno para a entrega de moléculas bioativas. "

O mecanismo detalhado para a biodegradação do óxido de grafeno é um assunto para uma investigação mais aprofundada, mas as descobertas do último estudo são claras. O óxido de grafeno se decompõe na presença de peróxido de hidrogênio, em uma reação catalisada pela enzima mieloperoxidase. The degree of degradation depends on the colloidal stability of the suspension, 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.