(Phys.org) —Une collaboration de biologistes, ingénieurs, et les scientifiques des matériaux de l'Université Brown ont découvert que les bords déchiquetés du graphène peuvent facilement percer les membranes cellulaires, permettant au graphène d'entrer dans la cellule et de perturber le fonctionnement normal. Comprendre les forces mécaniques de la nanotoxicité devrait aider les ingénieurs à concevoir des matériaux plus sûrs à l'échelle nanométrique.

Des chercheurs de l'Université Brown ont montré comment de minuscules microfeuillets de graphène - des matériaux ultra-minces avec un certain nombre d'applications commerciales - pourraient être de gros problèmes pour les cellules humaines.

La recherche montre que les angles vifs et les saillies déchiquetées le long des bords des feuilles de graphène peuvent facilement percer les membranes cellulaires. Une fois la membrane percée, une feuille entière de graphène peut être tirée à l'intérieur de la cellule où elle peut perturber le fonctionnement normal. La nouvelle idée peut être utile pour trouver des moyens de minimiser la toxicité potentielle du graphène, dit Agnès Kane, président du département de pathologie et de médecine de laboratoire de Brown et l'un des auteurs de l'étude.

« À un niveau fondamental, nous voulons comprendre les caractéristiques de ces matériaux qui sont responsables de la façon dont ils interagissent avec les cellules, " Kane a dit. " S'il y a une caractéristique qui est responsable de sa toxicité, alors peut-être que les ingénieurs pourront le concevoir."

Les résultats ont été publiés en ligne le 9 juillet dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

Découvert il y a une dizaine d'années, Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur seulement. Il est incroyablement fort malgré sa minceur et possède une électronique remarquable, mécanique, et propriétés photoniques. Applications commerciales dans les petits appareils électroniques, cellules solaires, les batteries et même les appareils médicaux sont au coin de la rue. Mais on ne sait pas grand-chose sur l'effet que ces matériaux pourraient avoir s'ils pénètrent dans le corps pendant le processus de fabrication ou pendant le cycle de vie d'un produit.

"Ces matières peuvent être inhalées par inadvertance, ou ils peuvent être intentionnellement injectés ou implantés en tant que composants de nouvelles technologies biomédicales, " dit Robert Hurt, professeur d'ingénierie et l'un des auteurs de l'étude. "Nous voulons donc comprendre comment ils interagissent avec les cellules une fois à l'intérieur du corps."

Ces dernières découvertes sont le fruit d'une collaboration continue entre biologistes, ingénieurs, et les scientifiques des matériaux de Brown ont cherché à comprendre le potentiel toxique d'une grande variété de nanomatériaux. Leur travail sur le graphène a commencé avec des résultats apparemment contradictoires.

Des recherches préliminaires du groupe de biologie de Kane ont montré que les feuilles de graphène peuvent en effet pénétrer dans les cellules, mais on ne savait pas comment ils étaient arrivés là. Huajian Gao, professeur d'ingénierie, essayé d'expliquer ces résultats à l'aide de puissantes simulations informatiques, mais il a rencontré un problème. Ses modèles, qui simulent les interactions entre le graphène et les membranes cellulaires au niveau moléculaire, a suggéré qu'il serait assez rare qu'une microfeuille perce une cellule. La barrière énergétique requise pour qu'une feuille coupe la membrane était tout simplement trop élevée, même lorsque la feuille a touché le bord en premier.

Le problème s'est avéré être que ces simulations initiales supposaient un morceau de graphène parfaitement carré. En réalité, Les feuilles de graphène sont rarement aussi vierges. Lorsque le graphène est exfolié, ou décollé de morceaux de graphite plus épais, les feuilles se détachent en flocons de forme étrange avec des saillies déchiquetées appelées aspérités. Lorsque Gao a réexécuté ses simulations avec aspérités incluses, les feuilles ont pu percer la membrane beaucoup plus facilement.

Annette von dem Bussche, professeur adjoint de pathologie et médecine de laboratoire, a pu vérifier le modèle expérimentalement. Elle a placé le poumon humain, la peau et les cellules immunitaires dans des boîtes de Pétri ainsi que des microfeuilles de graphène. Les images au microscope électronique ont confirmé que le graphène est entré dans les cellules en commençant par les bords et les coins rugueux. Les expériences ont montré que même des feuilles de graphène assez grandes jusqu'à 10 micromètres pouvaient être complètement internalisées par une cellule.

"Les ingénieurs et les scientifiques des matériaux peuvent analyser et décrire ces matériaux en détail, " a déclaré Kane. " Cela nous permet de mieux interpréter les impacts biologiques de ces matériaux. C'est vraiment une belle collaboration."

D'ici, les chercheurs examineront plus en détail ce qui se passe une fois qu'une feuille de graphène pénètre dans la cellule. Mais Kane dit que cette étude initiale fournit un début important pour comprendre le potentiel de toxicité du graphène.

"Il s'agit de la conception sûre des nanomatériaux, " dit-elle. " Ce sont des matériaux synthétiques, nous devrions donc être capables d'être intelligents et de les rendre plus sûrs."