Des chercheurs de Graphene Flagship montrent comment l'oxyde de graphène en suspension dans l'eau se biodégrade dans une réaction catalysée par une enzyme humaine, l'efficacité du claquage dépendant de la stabilité colloïdale de la suspension. L'étude devrait guider le développement d'applications biomédicales à base de graphène.

Comme pour tous les nouveaux matériaux à promesse industrielle, il existe un intérêt considérable des experts et du public pour les aspects de santé et de sécurité du graphène. Le développement et l'exploitation commerciale du graphène est à un stade précoce, et son environnement, les risques pour la santé et la sécurité sont étudiés par des chercheurs liés au projet européen Graphene Flagship. Le vaisseau amiral est un grand consortium international de partenaires académiques et industriels, financé en partie par la Commission européenne, qui met l'accent sur la nécessité pour l'Europe de relever les grands défis scientifiques et technologiques sur le long terme, efforts de recherche multidisciplinaires.

Les impacts potentiels sur la santé et la sécurité du graphène et d'autres matériaux bidimensionnels font l'objet d'efforts de recherche intensifs. La persistance et l'accumulation dans l'environnement sont des enjeux clés lorsqu'il s'agit d'exploiter des matériaux à base de graphène, et l'élimination en toute sécurité de ces matériaux et d'autres matériaux techniques à la fin de leur durée de vie utile est d'un intérêt particulier. En ce qui concerne le graphène en particulier, la forme oxydée de cet allotrope bidimensionnel de carbone est très prometteuse pour une utilisation dans l'administration de médicaments, bio-imagerie, Création de tissus, la biodétection et un certain nombre d'autres applications connexes, en raison de sa dispersibilité aqueuse élevée et de sa biocompatibilité.

Si l'oxyde de graphène doit avoir un rôle productif dans les technologies biomédicales, ses effets toxicologiques doivent être systématiquement évalués. Des études ont montré que l'oxyde de graphène peut dans certaines situations endommager les cellules vivantes et atténuer la réponse immunitaire. Considérés ensemble, cependant, les résultats des différentes expérimentations menées à ce jour ne sont pas concluants, et dans certains cas contradictoires.

Le graphène et ses différents composés peuvent être biocompatibles, mais très peu a été rapporté sur la biodégradation. À cette fin, chercheurs phares dirigés par Alberto Bianco, chimiste organique au Conseil National de la Recherche à Strasbourg, ont examiné en détail la biodégradation de l'oxyde de graphène par une enzyme. Rapporter leurs résultats dans le journal Petit , les chercheurs montrent que la myéloperoxydase – dérivée des globules blancs humains en présence d'une faible concentration de peroxyde d'hydrogène – peut métaboliser complètement l'oxyde de graphène dans le cas d'échantillons très dispersés.

Le premier auteur de la Petit papier est Rajendra Kurapati, chercheur postdoctoral dans le groupe de Bianco. Kurapati et ses collègues ont concentré leur attention sur la capacité de la myéloperoxydase à dégrader trois échantillons d'oxyde de graphène, classés selon le degré de dispersibilité dans l'eau. Il est important de noter que nous parlons ici de dispersibilité plutôt que de concentration de matière. Ce que les chercheurs ont découvert, c'est que les suspensions fortement agrégées d'oxyde de graphène ne parviennent pas à se biodégrader en présence de myéloperoxydase, mais les colloïdes les plus stables sont complètement décomposés par l'enzyme. En termes chimiques, la dispersibilité de l'oxyde de graphène dépend des groupements oxygène présents à la surface du graphène, et ceci à son tour est lié à la biodégradation.

Après avoir détaillé les résultats de leur expérience, les chercheurs discutent du mécanisme de dégradation de l'oxyde de graphène, commençant par un résumé du processus par lequel la myéloperoxydase agit contre l'infection par des microbes et d'autres matériaux invasifs qui enflamment les tissus biologiques. Pendant le processus d'inflammation, neutrophiles, un sous-type de globules blancs, se rassemblent au site d'infection et sécrètent la myéloperoxydase, qui catalyse une réaction chimique avec les ions chlorure et le peroxyde d'hydrogène pour produire des oxydants forts tels que l'acide hypochloreux. Ces oxydants ont des qualités antimicrobiennes, et sont également connus pour dégrader les implants à base de polyester, sucres extracellulaires et nanotubes de carbone oxydés.

Les auteurs de l'étude suggèrent que les potentiels redox élevés des oxydants produits dans la réaction catalysée par la myéloperoxydase pourraient de la même manière dégrader l'oxyde de graphène maintenu en suspension. La décomposition des matériaux commence probablement au niveau des atomes de carbone liés à l'oxygène dans le réseau de graphène, et au centre de cela se trouve l'acide hypochloreux produit dans la réaction. On pense également que la charge électrique de surface contribue, comme dans le cas des nanotubes de carbone oxydés, puisqu'il favorise la forte liaison de l'oxyde de graphène avec l'enzyme, et déclenche par la suite sa dégradation.

"Notre étude démontre la dégradation complète de l'oxyde de graphène par la myéloperoxydase, et les résultats indiquent que l'inhalation accidentelle d'oxyde de graphène présente un risque gérable pour la santé des humains et d'autres espèces, " dit Bianco. " D'autre part, la traduction de matériaux à base de graphène en biomatériaux cliniquement sûrs pour des applications biomédicales est également jugée par la biodégradabilité. Notre recherche peut fournir une méthode pour l'élimination sans danger pour l'environnement des matériaux à base de graphène. Cela pourrait également guider le développement de supports biocompatibles à base de graphène pour la délivrance de molécules bioactives. »

Le mécanisme détaillé de la biodégradation de l'oxyde de graphène fait l'objet d'une enquête plus approfondie, mais les conclusions de la dernière étude sont claires. L'oxyde de graphène se décompose en présence de peroxyde d'hydrogène, dans une réaction catalysée par l'enzyme myéloperoxydase. Le degré de dégradation dépend de la stabilité colloïdale de la 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.