Grafén sa podobá včelím plástom

Grafén sa podobá včelím plástom

„Grafén si možno predstaviť aj ako jednu rovinu z grafitu – tuhy, ktorou bežne kreslíme.“ Grafén je miliónkrát tenší než papier, silnejší než diamant a vodivejší než meď.

V roku 2010 sa u nás písalo o držiteľoch Nobelovej ceny za Grafén Andrejovi Geimovi a Konstantinovi Novoselovi za prelomové experimenty týkajúce sa objavu dvojdimenziálneho materiálu grafén. Vedci grafén prvýkrát pripravili v roku 2004 z obyčajnej tuhy. Bolo to prekvapenie. Fyzici si mysleli, že tak tenký materiál usporiadaný do pravidelnej kryštálovej mriežky nemôže existovať, pretože by bol veľmi nestabilný.

Experimenty ukázali, že grafén má unikátne vlastnosti, pretože v jedinej vrstvičke atómov, usporiadaných ako včelí plást, sa významne prejavujú kvantové javy. Vo vedení tepla nemá konkurenciu, je extrémne pevný a rovnako ako kremík má vlastnosti polovodiča. Elektróny sa však v ňom pohybujú až stokrát rýchlejšie, čo je zásadné pre rýchlosť tranzistorov a tým aj na výkon počítačov na nich postavených.

Grafén a rekordy

• vytvorili z neho najrýchlejší známy tranzistor s frekvenciou 100 GHz. IBM v roku 2010 v časopise Science predstavili grafénový tranzistor s rekordnou frekvenciou 100 GHz. „S kremíkom je ťažké dosiahnuť frekvenciou presahujúcich 5 GHz, zatiaľ čo grafénová technológia sa môže dostať až na 1000 GHz“
• z grafénu sa dá vytvoriť aj najpevnejšie testovaný pevný materiál, v ťahu až 200-krát pevnejší ako oceľ
• bol najdrahším materiálom na svete. Začiatkom roku 2008 stál centimeter štvorcový grafénu asi 100 miliónov dolárov. Neskôr cena klesla až pod sto dolárov za centimeter štvorcový

Denník N

Pred 4 rokmi sa Denník N o budúcnosti takto usporiadaných atómov uhlíka vyjadril, že budeme pomocou grafénu napríklad merať množstvo glukózy v krvi, filtrovať vodu, liečiť zubné kazy, vyrábať super pevné (no stále ľahké) materiály, tenké žiarovky, alebo vysoko efektívne solárne články. Grafén je materiál ako z iného sveta.

Grafén v medicíne v roku 2013 čínskymi očami

Čínski vedci, autori prehľadu o používaní grafénu v medicíne, porovnávajú tento pozoruhodný nanomateriál s expandujúcou hviezdou. Denne čítame o nových aplikáciách grafénu a oxidu grafénu. Autori recenzie hovoria o najdôležitejších a najsľubnejších oblastiach jeho využitia.

Použitie grafénu umožnilo dramaticky zvýšiť citlivosť optického biosenzora. Tento biosenzor, ktorý pracuje na princípe redukcie fluorescencie, zahŕňa grafén a peptid, ktorý je k nemu pripojený s tzv. fluorescenčným štítkom. Grafén tlmí fluorescenciu, ale keď sa peptid viaže na cieľový proteín (v tomto prípade je to cyklín A_2, indikátor rakoviny prsníka, pečene, pľúc atď.) a odtrhne sa od grafénu, obnoví sa fluorescencia. Senzory tohto typu boli vyvinuté a založené na oxide grafénu. Grafén môže výrazne zvýšiť účinnosť elektrochemických imunosenzorov – môže pojať obrovské množstvo rozpoznávajúcich prvkov. Ukazuje sa, že elektrochemické zariadenia založené na graféne, sú schopné nielen detegovať biomarkery, ale aj študovať tvorbu reaktívnych druhov kyslíka (H2O2) v živých bunkách. Rastie záujem o senzory založené na tranzistoroch grafénového efektu – elektrické vlastnosti grafénu sú veľmi citlivé na miestne prostredie.

Grafén a nanomateriály na jeho základe sa tiež používajú na priamu detekciu rakovinových buniek. Jedna z techník používa interakciu protilátok imobilizovaných na graféne alebo oxide grafénu s cieľovými bunkami (antigénmi). Nanosenzory môžu byť dokonca umiestnené na živom tkanive. Vedci aplikovali grafénovú matricu s kontaktmi a anténu na tenký film z vo vode rozpustného hodvábu. Film umožnil prenos bezdrôtového zariadenia na zub alebo kožu .

Obrázok. Grafénový bezdrôtový nanosenzor. Mierka na fotografii je 1 cm.

Ďalšou oblasťou aplikácie grafénu je systém cieleného dodávania diagnostických a liekových produktov. Autori recenzie uvádzajú príklady úspešného použitia oxidu grafénu a jeho hybridov s magnetickými nanočasticami ako nosičmi protirakovinových preparátov, nukleotidov, peptidy, fluorescenčných činidiel na zobrazovanie štruktúr živých buniek. Experimenty ukázali, že použitie oxidu grafénu a protilátok (s rádioaktívnym štítkom) zvyšuje účinnosť pozitrónovej emisnej tomografie pre klinickú onkológiu. Hybridy založené na oxide grafénu a Fe₃O₄ sa používajú na získanie fluorescenčných aj magnetických rezonančných snímok buniek.

Sľubným novým smerom je použitie grafénu vo fototermálnej terapii. Tento typ liečby využíva tvorbu tepla v dôsledku absorpcie svetla fotosenzitívnymi látkami v chorých bunkách. Aby sa zabránilo poškodeniu zdravých buniek, absorbovanie by malo byť v blízkom infračervenom rozsahu (700-1100 nm). Grafén vykazuje znateľný fototermálny efekt vďaka silnej optickej absorpcii v tejto oblasti spektra. Protirakovinová aktivita nano-grafénu a nano-oxidu grafénu bola experimentálne potvrdená. Po prvýkrát bol nanografén úspešne použitý na fototermálnu deštrukciu nádorov in vivo.

Výskumníci vstrekli intravenózne injekcie nanografénu (potiahnutého polyetylénglykolom) do nádorov myší a potom ich ožiarili laserom s vlnovou dĺžkou 808 nm. Teplota na povrchu nádoru prudko vzrástla a nádor „spálili“. V kontrolnom experimente bez grafénu bolo zvýšenie teploty na povrchu len 2^°C.

Neskôr v niekoľkých dokumentoch sa ukázalo, že účinnosť fototermálnej liečby závisí od veľkosti častíc grafénu resp. oxidu grafénu a povrchovej úprave. Vedci skúmajú multifunkčné nanokompozity grafénu a oxidu grafénu s paramagnetickými časticami a protirakovinovými liekmi. Pomocou takýchto nanokompozitov je možné kombinovať chemo- a fototermálnu terapiu, aby sa zabezpečilo presné cielené dodanie.

Grafén poskytuje veľa príležitostí. Môže to byť cenný nástroj pri liečbe Alzheimerovej choroby. Podľa niektorých odhadov sa do roku 2050 počet ľudí trpiacich týmto závažným neurodegeneratívnym ochorením môže zvýšiť na 100 miliónov ľudí. Pri tomto ochorení ide o tvorbu (amyloidných) plakov (ktoré pozostávajú hlavne z β peptidov) a neurofibrilárnych spletí. Na liečbu a prevenciu ochorenia je potrebné pochopiť, ako sa vytvárajú β agregáty a ako môžu byť zničené. Účinnosť liekov je obmedzená, pretože neprekonajú septum medzi krvou a mozgom, nezasahujú cieľ a niekedy sú aj toxické. Niekoľko laboratórií študovalo fototermálne účinky pomocou grafénu a dokázalo perspektívy tohto prístupu liečby Alzheimerovej choroby. 

Diferenciácia neurónových kmeňových buniek na graféne a krycom skle.

Vývoj grafénových biomateriálov a zariadení je stále v počiatočnom štádiu vývoja. Je potrebné študovať vplyv štruktúry, veľkosti, chémie povrchu a naučiť sa syntetizovať grafénové materiály s potrebnými vlastnosťami. Je dôležité vyvinúť miniatúrne a multifunkčné zariadenia, ktoré sú bezpečné pre ľudí.

Výsledky prvých štúdií toxicity a biologickej aktivity grafénu ukázali, že v malých dávkach sa môže používať bez obáv. Mnohé z prác uvedených v prehľade hovoria o biokompatibilite a ne-toxicite študovaných materiálov na báze grafénu. Mnohé obavy a otázky však pretrvávajú. Napríklad, ako grafén a oxid grafénu interaguje s krvou? To je dôležité, pretože sa často používajú intravenózne injekcie. Napriek inšpiratívnym výsledkom je pred zavedením grafénových nanomateriálov do klinickej praxe stále potrebné podrobne študovať ich transport a distribúciu v tele, možné chronické a akútne účinky. Toľko zdroj z roku 2013. Teda 8 rokov stará informácia. Zdroj: http://perst.issp.ras.ru/Control/Inform/perst/2013/13_07/perst.htm

A čo dnes v dobe vakcín a protilátok?

Civilný alebo vojenský výskum (ten je cca 25-50 rokov dopredu)? To by sme sa museli spýtať generálov. Skúsime teda ten neutajovaný, civilný a jeho zdroje.

V lekárskom výskume preukázal grafén protirakovinové vlastnosti. Tím vedcov z University of Manchester pod vedením Michaela Lisantiho publikoval článok o tom, ako sa oxid grafénu selektívne zameriava na rakovinové kmeňové bunky bez toxických účinkov na zdravé bunky. Počas štúdie vedci hodnotili účinky grafénu na šesť rôznych typov rakoviny: prsníka, pľúc, pankreasu, prostaty, vaječníkov a mozgu. Vo všetkých prípadoch bol dosiahnutý pozitívny výsledok. Očakáva sa, že v budúcnosti budeme mať novú účinnú liečbu mnohých typov rakoviny, ktorá bude mať oveľa menej vedľajších účinkov ako súčasná liečba rakoviny. Zdroj: https://pikabu.ru/story/poslednie_dannyie_o_grafene_6009521

Náš slovenský zdroj o výskume a vylepšení špecifického naviazania nosiča na nádorové bunky u nás: V tomto štádiu výskumu sa podarilo pripraviť rôzne funkcionalizovanú nanoplatformu grafén oxidu, čiže nosiča pre magnetické nanočastice a monoklonové protilátky. https://www.quark.sk/co-dokaze-tuha/

Vzhľadom na unikátne fyzikálno-chemické vlastnosti grafénu, sa často používa v medicíne pre účely fototermálnej liečby rakoviny, prenosu liekov, antibakteriálnu liečbu a medicínske zobrazovanie. Táto práca popisuje povrchovú úpravu oxidu grafénu a prvýkrát sumarizuje, že funkcionalizovaný GO slúži ako dopravca (nosič) vakcíny a ukazuje významnú adjuvantnú účinnosť v aktivácii bunkovej a protilátkovej imunity. V budúcnosti sa očakáva, že bude zavedený na zlepšenie účinnosti vakcín. Zdroj: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32531395/

Funkcionalizovaný oxid grafénu slúži ako nové nano-adjuvans vakcín pre silnú stimuláciu bunkovej imunity. Zdroj: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/NR/C5NR09208F

V porovnaní s jedno polymérovými modifikovanými oxidmi grafénu (GO-PEG a GO-PEI) môžu niektoré dvoj polymérne modifikované oxidy grafénu (GO-PEG-PEI) pôsobiť ako pozitívny modulátor na podporu dozrievania dendritických buniek a zvýšenie ich sekrécie cytokínov aktiváciou viacerých ciest receptorov … Okrem toho môže tento GO-PEG-PEI slúžiť ako nosič antigénu na účinný prenos antigénov do dendritických buniek. Tieto dve výhody umožňujú GO-PEG-PEI slúžiť ako nový očkovací adjuvans. V nasledujúcich experimentoch in vivo, v porovnaní s voľnou Ure B a klinicky používanou hliníkovou adjuvandovou vakcínou (Alum-Ure B), GO-PEG-PEI-Ure B indukuje silnejšiu bunkovú imunitu intradermálnym podávaním, čo naznačuje sľubné aplikácie v imunoterapii rakoviny. Naša práca predstavuje nielen nový, vysoko účinný vakcínový nanoadjuvant založený na oxide grafénu, ale tiež zdôrazňuje kritické úlohy povrchovej chémie pre racionálny dizajn nanoadjuvantov. Zdroj: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/NR/C5NR09208F

V tejto práci vedci píšu o rýchlom zisťovaní COVID-19 vo výteroch z nosohltana pomocou biosenzora

Počas COVID-19 pandémie je rozvoj vysoko citlivých a rýchlych biosenzorických zariadení čoraz dôležitejší. Vyvinuli sme COVID-19 FET snímač, v ktorom sú SAR-CoV-2 spike protilátky konjugované na list grafénu. Snímač bol schopný detekovať SAR-CoV-2 vírusov z klinických vzoriek… naša grafén-biosenzorická platforma poskytuje jednoduché, rýchle a vysoko citlivé detekcie SAR-CoV-2 vírusov v klinických vzorkách. Navyše, táto technológia by mohla byť prispôsobená pre diagnostiku iných vírusových chorôb. Zdroj: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7172500/

TOP vedecká práca Indov: Potenciál materiálov na podklade grafénu v medicíne

V súčasnosti použitie grafénu v súvislosti s pandémiou najlepšie zhrnuli a preskúmali indickí vedci v tejto práci: Potenciál materiálov na báze grafénu v boji proti COVID-19: vlastnosti, perspektívy, a vyhliadky

Preskúmali antivírusový potenciál povrchov a náterov z grafénu, ak je spojený napr. so striebrom alebo kurkumínom. Ich práca pojednáva o biosenzoroch na podklade grafénu. Na jej základe aj o detekcii vírusu a protilátok. Materiály založené na graféne sú vynikajúce tranzistory v biosenzoroch.

Piezoelektrické biosenzory sa stali technológiou nielen na detekciu vírusov, hormónov, baktérií, buniek, ale detekujú širokú škálu molekulárnych interakcií. Piezoelektrické biosenzory ponúkajú v reálnom čase vysokú citlivosťou, jednoduchosť a rýchlosť. Najmä ako piezoelektrické imunosenzory.

Vedecká práca sa venuje aj použitiu materiálov na základe grafénu za účelom úpravy genómu. V podstate vďaka nim možno DNA detekovať, „nastrihať“ a pozmeniť akokoľvek a to pomocou „mobilného zariadenia“ generujúceho elektrický signál. Technológia sa nazýva v preklade „Ostrý-Čip“.

Vedecká práca pokrýva aj oblasť ochrany dýchacích ciest. Navrhli pomocou 3D tlače výrobu veľmi efektívnych tvárových masiek, respirátorov, štítov a častí ventilátorov z materiálov na podklade grafénu, ktoré vírus priamo zabíjajú. Rozsah tejto vedeckej práce sa do tohto blogu ani nevmestí. O „nanofoams a zlatom graféne“ niekedy inokedy. Stačí, keď človek pochopí, že vďaka grafénu a materiálom z neho, môžu byť monitorované akékoľvek funkcie v tele, akékoľvek orgány, tkanivá a aj bunky a to až na úrovni molekúl a ich reakcií. Avšak tieto môžu byť vďaka grafénu aj spätne ovplyvňované signálmi resp. žiarením rôzneho druhu. Zdroj: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7577689/

Malá poznámka k vakcínam, hliník už končí nastupuje uhlík. Grafén je vo vakcínach totiž ako adjuvans oveľa účinnejší. Zdroj: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30448435/

Uhlík a mozog

Grafénové kvantové bodky v biomedicíne a neurovede

Kvantové bodky (QDs) sú polovodivé nanočastice, ktoré sa aplikujú v oblasti biomedicíny, vďaka ich jedinečným optickým vlastnostiam. Nedávno získali pozornosť vedcov grafénové kvantové bodky (GQDs) v biomedicíne a nanomedicíne, vďaka ich vyššej biokompatibilite a nízkej cytotoxicite v porovnaní s inými QDs (bodkami). GQDs majú optické vlastnosti a preukázali schopnosť prechádzať cez hemato-encefalickú bariéru do mozgu. Z tohto dôvodu vďačíme GQDs za prehĺbenie našich znalostí v oblasti neurovedy, diagnostike aj terapii. Ich veľkosť a povrchová úprava dovoľujú jednoduchý prenos chemoterapeutických liekov. Sú to ideálne nosiče prostredníctvom krvného obehu, cez hematoencefalickú bariéru, až do mozgu. GQDs sú ľahko zobrazované zobrazovacími technikami. Využívajú sa vo fototermickej a fotodynamickej terapii samostatne alebo v kombinácii s chemoterapiou. V tejto recenzii sú popísané optické vlastnosti a biokompatibilita GQDs, ich schopnosť prechádzať hematoencefalickou bariérou a prechod do mozgu. Recenzia odhaľuje ich potenciál v neurovedeckej oblasti. Zdroj: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28847305/

Ako vytvoriť vylepšený mozog? Sme na ceste!

Teraz niečo k vylepšenej neuronálnej diferenciácii nervových kmeňových buniek (ak to preženiem, tak to znamená, že si takto časom vytvoríme resp. vedci nám vytvoria – „lepší“ mozog).

Grafén, ktorý sa skladá z jednej vrstvy atómov uhlíka usporiadaných do 2D plástu, siete, sa ukázal byť veľmi užitočný nanomateriál v biomedicínskych aplikáciách vzhľadom na jeho vynikajúcu flexibilitu, tepelné vlastnosti, elektrickú vodivosť, vysokú pevnosť, tuhosť a biokompatibilitu. Fyzikálno-chemické vlastnosti grafénu a jeho biokompatibilita inšpirovali vedcov využiť tento materiál na kmeňových bunkách na báze tkanivového inžinierstva. Napríklad, bolo preukázané, že grafén podporuje proliferáciu a diferenciáciu dospelých a pluripotentných kmeňových buniek. V prípade nervového tkaniva, sa preukázalo, že fyzikálno-chemické vlastnosti grafénu môžu uľahčiť vynikajúcu integráciu. Predpokladáme, že substráty, ktoré sa skladajú z nanočastíc na báze nanotopografickej funkcie upravených grafénom, by mohli byť vynikajúcou platformou na ďalšie zlepšenie diferenciácie neurálnych kmeňových buniek na neuróny a môžu byť použité na ovládanie axonálneho rastu a diferenciácie neurálnych kmeňových buniek. Zdroj: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4189106/

A teraz konečne potečie krv

Vedci popísali a zistili, čo sa deje, keď sa oxid grafénu dotýka krvi

Oxid grafénu je horúcou témou biomedicínskeho a farmaceutického výskumu súčasného desaťročia. Jeho komplexné interakcie s ľudskými zložkami krvi však komplikujú prechod od sľubných výsledkov in vitro (v laboratóriu) do klinických použití. Aj keď je oxid grafénu vyrobený s rovnakých atómov ako naše orgány, tkanivá a bunky, jeho dvojrozmerná povaha spôsobuje jedinečné interakcie s krvnými proteínmi a biologickými membránami a môže viesť k závažným účinkom, ako je trombogenicita (zrážanie krvi) a aktivácia imunitných buniek. Zdroj: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32254085/

O graféne sa dá písať nesmierne veľa. Podľa toho, čo sa dá v knižniciach nájsť, nestačil by na to ľudský život. Vedecký svet sa okolo neho proste posledné roky točí. Prečo? Pretože prekračuje hranice jednoducho a ľahko. Avšak dodnes nemáme hodnovernú informáciu, že je súčasťou preparátov súdobého experimentu. Teda ani jedna firma ho do zloženia neuviedla. Vylúčiť resp. potvrdiť to môže rýchlo a ľahko (súdno) znalecká expertíza a bol by „pokoj s hoaxami“. Pretože tento blog je vlastne reakciou na opakovane kladené otázky ohľadom textu „z Detvy“ o graféne, ktorý koluje po internete a mierne povedané, pletie hrušky s jablkami, a ktorý nie je adekvátne ozdrojovaný.

Grafén nie je žiletka v krvi. Grafén je takmer umelá inteligencia, teda je jej súčasťou resp. jej nástroj s obrovskými možnosťami snímať, prijímať ale aj odovzdávať informácie „z a do“ ľudského tela. Na jednej strane ultravýkonný prenášač, ktorému takmer nič nestojí v ceste na úrovni chémie. Všade sa dostane a aj tam zostane. Zapadne do prostredia a v podstate nezavadzia, avšak mení. A niečo ako biokompatibilný molekulárny „obojstranný“ router WiFi na úrovni fyziky. A ľudský organizmus naň reaguje veľmi rýchlo a veľmi špecificky. Od hlavy až po päty. Jeho používanie jednoznačne patrí do povolaných, veľmi eticky a morálne vyspelých rúk. Inak jeho použitie môže vyzerať ako nevedomé asistované suicídium. Na vlastnú žiadosť.