Cette image d'un microscope électronique à transmission haute résolution montre l'un des agents de contraste IRM à base de graphène de l'Université Rice, des nanoparticules mesurant environ 10 nanomètres de diamètre qui sont si fines qu'elles sont difficiles à distinguer. Crédit : C.S. Tiwari/Rice University
Graphène, les feuilles de carbone atomiquement minces que les scientifiques des matériaux espèrent utiliser pour tout, de la nanoélectronique et des dégivreurs d'avions aux batteries et aux implants osseux, peuvent également trouver une utilisation comme agents de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM), selon de nouvelles recherches de l'Université Rice.
"Ils ont beaucoup d'avantages par rapport aux produits de contraste disponibles classiquement, " La chercheuse sur le riz Sruthi Radhakrishnan a déclaré à propos des points quantiques à base de graphène qu'elle a étudiés au cours des deux dernières années. " Pratiquement tous les agents de contraste largement utilisés contiennent des métaux toxiques, mais notre matériel n'a pas de métal. C'est juste du carbone, hydrogène, l'oxygène et le fluor, et dans tous nos tests jusqu'à présent, il n'a montré aucun signe de toxicité."
Les premières découvertes pour les nanoparticules de Rice, des disques de graphène décorés d'atomes de fluor et simplement de molécules organiques qui les rendent magnétiques, sont décrites dans un nouvel article de la revue Particle and Particle Systems Characterization.
Pulickel Ajayan, le scientifique des matériaux de riz qui dirige les travaux, a déclaré que les points quantiques d'oxyde de graphène fluoré pourraient être particulièrement utiles en tant qu'agents de contraste pour l'IRM, car ils pourraient être ciblés sur des types spécifiques de tissus.
« Il existe des méthodes éprouvées pour attacher des biomarqueurs aux nanoparticules de carbone, on pourrait donc facilement envisager d'utiliser ces points quantiques pour développer des agents de contraste spécifiques aux tissus, " dit Ajayan. " Par exemple, cette méthode pourrait être utilisée pour cibler de manière sélective des types spécifiques de cancer ou de lésions cérébrales causées par la maladie d'Alzheimer. Ce genre de spécificité n'est pas disponible avec les agents de contraste d'aujourd'hui."
L'étudiant diplômé de l'Université Rice, Sruthi Radhakrishnan, a passé deux ans à développer un processus pour fabriquer des points quantiques à base de graphène qui pourraient être utilisés comme agents de contraste pour l'IRM. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les scanners IRM réalisent des images des structures internes du corps en utilisant de puissants champs magnétiques et des ondes radio. Comme tests de diagnostic, Les IRM fournissent souvent plus de détails que les rayons X sans les rayonnements nocifs, et comme résultat, L'utilisation de l'IRM a fortement augmenté au cours de la dernière décennie. Plus de 30 millions d'IRM sont réalisées chaque année aux États-Unis.
Radhakrishnan a déclaré que son travail avait commencé en 2014 après que l'équipe de recherche d'Ajayan eut découvert que l'ajout de fluor au graphite ou au graphène entraînait une bonne apparition des matériaux sur les IRM.
Tous les matériaux sont influencés par les champs magnétiques, y compris les tissus animaux. Dans les scanners IRM, un champ magnétique puissant provoque l'alignement magnétique des atomes individuels dans tout le corps. Une impulsion d'énergie radio est utilisée pour perturber cet alignement, et la machine mesure combien de temps il faut pour que les atomes dans différentes parties du corps se réalignent. Sur la base de ces mesures, le scanner peut construire une image détaillée des structures internes du corps.
Les agents de contraste IRM raccourcissent le temps nécessaire au réalignement des tissus et améliorent considérablement la résolution des examens IRM. Presque tous les agents de contraste disponibles dans le commerce sont fabriqués à partir de métaux toxiques comme le gadolinium, fer ou manganèse.
"Nous avons travaillé avec une équipe du MD Anderson Cancer Center pour évaluer la cytocompatibilité des points quantiques d'oxyde de graphène fluoré, " Radhakrishnan a déclaré. "Nous avons utilisé un test qui mesure l'activité métabolique des cultures cellulaires et détecte la toxicité comme une baisse de l'activité métabolique. Nous avons incubé des points quantiques dans des cultures de cellules rénales jusqu'à trois jours et n'avons trouvé aucune mort cellulaire significative dans les cultures, même aux concentrations les plus élevées."
Contrairement à la plupart des agents de contraste IRM actuellement utilisés, Les points quantiques d'oxyde de graphène fluoré de l'Université Rice ne contiennent aucun métal toxique et pourraient potentiellement cibler des types spécifiques de tissus. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les études de Radhakrishnan sur les points quantiques d'oxyde de graphène fluoré peuvent être réalisées en moins d'une journée, mais elle a passé deux ans à perfectionner la recette pour eux. Elle commence avec des feuilles de graphène de la taille d'un micron qui ont été fluorées et oxydées. Lorsque ceux-ci sont ajoutés à un solvant et agités pendant plusieurs heures, ils se brisent en petits morceaux. Rendre le matériau plus petit n'est pas difficile, mais le processus de fabrication de petites particules avec les propriétés magnétiques appropriées est exigeant. Radhakrishnan a déclaré qu'il n'y avait pas eu de "moment eurêka" au cours duquel elle a soudainement obtenu les bons résultats en trébuchant sur la meilleure formule. Plutôt, le projet a été marqué par des améliorations progressives grâce à des dizaines de modifications mineures.
"Cela a demandé beaucoup d'optimisation, " dit-elle. " La recette compte beaucoup. "
Radhakrishnan a déclaré qu'elle prévoyait de continuer à étudier le matériel et espère éventuellement prouver qu'il est sûr et efficace pour les tests d'IRM cliniques.
"J'aimerais le voir appliqué commercialement de manière clinique car il présente de nombreux avantages par rapport aux agents disponibles de manière conventionnelle, " elle a dit.
