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石墨烯在3D打印和生物醫學應用中的奇迹和毒性

雖然硬件、軟件和各種設計機制對3D打印至關重要,但材料科學是這一先進技術的核心,這一技術不斷滲透到當今的主流。使用金屬和碳纖維進行3D打印現在特别受歡迎,并且變得更加經濟實惠且可供所有人使用,而最初僅限于擁有更多财務資源和研究能力的工業公司。石墨烯,有時被稱為“半金屬”,由于其超輕的重量和令人難以置信的強度而被吹捧為充滿神奇能力的材料-遠遠超過鑽石甚至鋼材。

石墨烯在3D打印和生物醫學應用中的奇迹和毒性

現在,來自印度的兩位研究人員在“石墨烯綜合應用:重視生物醫學問題”的論文中發表了研究結果,探讨了石墨烯在3D打印中的應用,以及暴露在細胞中可能産生的毒性。石墨烯的獨特之處在于它是一種2D結構,具有令人難以置信的強度、剛性和令人興奮的品質,如導電性。當用于生物醫學應用時,例如創建支架以促進活細胞生長或用于藥物遞送,生物成像,甚至生物傳感,存在對其安全性的擔憂。

這種獨特材料的合成通過自上而下或自下而上的方法進行,分别使用化學燒蝕、電化學氧化或等離子體處理,或用相當大的石墨烯片向上堆積。正如最近評論的科學家所指出的那樣,氧化石墨烯(GO)被認為是生物醫學用途中最柔韌的,與RGO一起使用,RGO是一種氧化程度較低的形式,兩者都具有更好的水溶性。

“由于石墨烯的疏水性,制備穩定的分散體仍然是一個未解決的問題。”研究人員表示,“這可以通過将石墨烯懸浮液超聲處理幾個小時以及使用表面活性劑或聚合物來實現。”

随着時間的推移,研究人員已經開始研究各種溶劑,但這又提高了毒性的可能性,這就是為什麼現在有一種更環保、更純粹的方法來制造優質石墨烯片的趨勢,例如那些采用高速剪切混合技術的石墨烯。對可能有毒的化學品的需求。由于石墨烯在生物醫學應用中具有令人難以置信的潛力,再次應用于藥物遞送,包括基因和蛋白質,以及作為生物傳感器,抗微生物劑和組織工程的石墨烯基質,因此繼續在這一領域研究是十分重要的。

“支持其臨床應用的GO的壓倒性特性是兩親性、表面官能度、熒光猝滅能力和表面增強拉曼散射性質。石墨烯缺陷部位的疏水性、大表面積、波紋和晶界是考慮它們用于生物醫學用途的重要因素。”研究小組表示。

随着這項研究/評論,科學家們也意識到3D打印和石墨烯以互補的方式非常适合彼此,石墨烯也緻力于增強聚合物材料(特别是在生物醫學應用中),因此在這種不斷發展的技術中經常使用:“在3D打印的幫助下,可以調整一系列生物材料,以便為複雜的組織工程應用獲得理想的特性和多種功能,以及制造适合手術的結構。”

石墨烯在3D打印和生物醫學應用中的奇迹和毒性

石墨烯合成

然而,人們仍然非常關注石墨烯如何與生物結構混合,研究人員列出了許多可能影響互相作用的因素,包括:細胞的大小和形狀、橫向尺寸、表面化學、雜質、凝聚。

“石墨烯與細胞膜之間的物理相互作用被認為是石墨烯誘導毒性的主要機制。”研究人員表示,“石墨烯片的尖銳邊緣會對細胞膜造成損傷,導緻細胞内内容物的洩漏。此外,已知GO和RGO都會在哺乳動物細胞中誘導細胞毒性,氧化應激和DNA損傷。”

雖然研究人員看到石墨烯在許多不同應用中的應用前景光明,包括生物醫學行業的應用,但科學家和醫療專業人員試圖幫助解決人類對人類的毒性仍有明顯的重大障礙需要克服。

“歐洲新興和新發現的健康風險科學委員會将石墨烯列入危險材料清單。考慮到石墨烯的毒性潛力,仍有許多空白需要填補。在評估毒性時,應考慮所有物理化學參數,包括尺寸、形狀、附聚、層厚度、橫向尺寸和原子組成。從生物學的角度來看,應徹底調查濃度,持續時間,接觸途徑和雜質的存在的影響。”作者說。

“總之,石墨烯有望為生物醫學應用提供令人興奮的納米平台,但仍有許多問題需要解決。建議石墨烯衍生物在進行生物醫學應用或臨床應用之前應進行廣泛的安全性評估或驗證。”

石墨烯在3D打印和生物醫學應用中的奇迹和毒性

[圖片/來源:SpringerLink]

藥物和基因傳遞應用

a)使用胺類PEG功能化GO輸送阿黴素。b)sirna的傳遞和使用pei-coordedgo-for基因沉默技術(RISC-RNA誘導沉默複合物)的mRNA降解

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