vol. 4 6/2015 Inżynier i Fizyk Medyczny
354
technologie
\
technologies
artykuł naukowy
\
scientific paper
Wprowadzenie
Węgiel jest pierwiastkiem powszechnie występującym w przy-
rodzie. Około 95% wszystkich związków chemicznych zawiera
w swoim składzie węgiel. Grafen obok diamentu, grafitu i fule-
renów jest odmianą alotropową węgla [1, 2]. Grafen otrzymano
w warunkach laboratoryjnych w 2004 roku na Uniwersytecie
w Manchesterze, jest dwuwymiarową formą węgla grubości
jednej warstwy atomów o heksagonalnym ułożeniu (struktura
plastra miodu). Może zostać zrolowany do nanorurki oraz uło-
żony w stosy jako grafit. Grafen cechuje się dobrym przewod-
nictwem elektrycznym i cieplnym, równocześnie nie rozprasza
energii i nie pochłania światła. Dodatkowo jest mocniejszy niż
stal oraz jednocześnie elastyczny i rozciągliwy. Ciekawą właści-
wością grafenu jest wytwarzanie silnego pola quasi-magnetycz-
nego [2, 3].
W 2010 roku Andre Geim i Konstantin Novoselov otrzyma-
li Nagrodę Nobla za odkrycie i opisanie właściwości grafenu.
Ciekawy jest sposób, w jaki naukowcy pozyskali pierwsze prób-
ki grafenu. Uczeni przyklejali taśmę samoprzylepną do bryłki
grafitu, po oderwaniu której nanosili płatki grafitu na podłoże
z dwutlenku krzemu i poddawali obserwacji pod mikroskopem.
Jeśli warstwa grafitu była zbyt gruba, przyklejali kolejny frag-
ment taśmy. Cały proces powtarzano klika razy, aż do uzyskania
pojedynczej cząsteczki przezroczystego grafenu [4, 5]. Rosyjski
fizyk Andre Geim jest noblistą, który otrzymał również Ig Nobla.
W 2000 roku naukowiec został uhonorowany Anty-Noblem za
badania nad lewitującymi żabami [6].
Celem opracowania jest przegląd piśmiennictwa na temat po-
tencjalnych zastosowań grafenu w medycynie oraz charaktery-
styka jego bezpieczeństwa.
Grafen w diagnostyce obrazowej
Możliwe, że grafen w postaci nanorurki jedno- lub wielościennej
zostanie zastosowany jako nośnik pierwiastków o wysokich licz-
bach atomowych, do wzmocnienia kontrastowego w badaniach
rentgenowskich. Pomysł na połączenie nanorurki z bizmutem
jako środkiem kontrastującym sprawdził się w fazie badań na
zwierzętach. W badaniu tomografii komputerowej otrzymano
obrazy o wyższej rozdzielczości kontrastowej niż po podaniu kla-
sycznych środków kontrastujących na bazie jodu [7]. Obiecujące
są również próby zastosowania grafenu w obrazowaniu magne-
tycznego rezonansu jądrowego (MRI). Kanakia i wsp. dowiedli,
że kompleks grafenu z jonem manganu (Mn2+) i dekstranem
(GNP-Dex) wykazuje bardzo dobrą rozpuszczalność w wodzie
(do 100 mg/ml), a jego osmolarność jest niższa niż krwi. W tem-
peraturze ciała ludzkiego (do 37ºC) preparat wykazuje struktu-
ralną stabilność. Dodatkowo nie aktywuje procesu uwalniania
histaminy, co sugeruje, że prawdopodobieństwo reakcji niepo-
żądanych jest niskie. GNP-Dex wpływa na poprawę kontrasto-
wości obrazu w czasach T1-zależnych MRI. Kanakia i wsp. suge-
rują, że kompleks grafenu z jonem manganu i dekstranem może
stać się realną alternatywą w stosunku do chelatów gadolinu,
szczególnie u pacjentów z niewydolnością nerek i po przeszcze-
pie wątroby [8]. Peng i wsp. zastosowali grafen jako nośnik tlen-
ku żelaza w połączeniu z manganem (MnFe
2
O
4
). Potwierdzono,
że nowy środek kontrastujący wpłynął pozytywnie na wydaj-
ność kontrastu w obrazach T2-zależnych. Dodatkowo badając
cytotoksyczność preparatu potwierdzono jego biozgodność
[9]. Badacze z zespołu Paratala
zwracają uwagę, że mangan jest
naturalnym budulcem komórek ciała ludzkiego, dostarczanym
wraz z produktami żywnościowymi (podaż w codziennej diecie
0,1-0,4 mg), dlatego nowe środki kontrastujące MRI zawierają-
ce grafen i mangan mogą stanowić nową jakość w obrazowaniu
opartą o bezpieczeństwo pacjenta [10].
Z grafenem łączone są również nadzieje na pozyskanie no-
wej rodziny środków kontrastujących w obrazowaniu z użyciem
ultradźwięków. W badaniach Romero-Aburto i wsp. potwier-
dzono, że związek tlenku grafenu z fluorem (FGO) cechuje silny
efekt rozpraszania fali i powrót energii w kierunku odbiornika,
tzw. rozpraszanie wsteczne (
backscattering
) [11].
Grafen a redukcja zakażeń
Tlenek grafenu (GO) wykazuje silne działanie bakteriobójcze.
Efekt związany jest z mechanicznym niszczeniem błon komórko-
wych przez ostre krawędzie plastrów grafenu i destrukcyjnym
działaniem tlenu. Połączenie właściwości bakteriobójczych
z wytrzymałością i elastycznością grafenu może zostać wykorzy-
stane w ortopedii i traumatologii, gdzie problemem są zakażenia
i ścieranie się materiału endoprotezy wmiejscu powierzchni sta-
wowych [12]. Tworząc nowe materiały opatrunkowe, próbuje się
również łączyć nanorurki grafenowe ze srebrem, które cechuje
się właściwościami antybakteryjnymi o szerokim spektrum dzia-
łania (bakterie, grzyby, pierwotniaki, niektóre wirusy). Takie roz-
wiązanie wydaje się być pożądaną alternatywą dla powszechnie
stosowanych materiałów z antybiotykami [13].
Biosensory z wykorzystaniem grafenu
Biosensor (bioczujnik) jest urządzeniem analitycznym do wy-
krywania lub oznaczania ilościowego substancji w badanym
materiale, składającym się z biologicznie aktywnej części recep-
torowej oraz elementu przetwornikowego [14]. Główną rolą bio-
sensorówwmedycynie są rutynowe kontrole analityczne i wcze-
sne wykrywanie problemów związanych z funkcjonowaniem
organizmu. Nadzieje związane z grafenem wpisują się w poszu-
kiwanie idealnych rozwiązań w zakresie wczesnej diagnostyki
onkologicznej oraz badań przy łóżku pacjenta i w podmiotach
leczniczych, które nie dysponują rozbudowanym zapleczem la-
boratoryjnym (
point of care testing
) [15]. Największe oczekiwanie
wiąże się z zastosowaniem nanorurek jako czujników elektrycz-
nych, optycznych, elektrochemicznych, co bazuje na szerokich
właściwościach grafenu [16]. Naukowcy zwrócili uwagę, że na-
norurki grafenowe wykazują znacząco odmienne właściwości
