[論文レビュー] Reduction and simultaneous doping of graphene oxide to repel LDL in treatment of atherosclerosis disease

L M Rivera, A.F. Betancur+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2019

Graphene and Nanomaterials Applications参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低密度リポタンパク質（LDL）を静電的に反発することで動脈硬化を防ぐ新しいバイオマテリアルとして、窒素ドーピングされた還元グラフェンオキサイド（N-rGO）を提案する。同時に還元とイン・シチュウ窒素ドーピングにより、表面電荷が高くなり（EFMおよび接触角測定で確認）、LDLの反発（接触角95.7°–130.4°）が実現され、ヒト静脈内皮細胞（HUVEC）において100 μg/mLまで良好な生体適合性を示した。

ABSTRACT

Atherosclerotic disease develops when there is endothelial dysfunction, making low density lipoproteins (LDL) which are cholesterol carriers traveling in the blood, very likely to penetrate the endothelium layer triggering the formation of the atheromatous plaque and leading to the obstruction of blood vessels. For some time now, devices called stents have been used to re-open the light of the plugged artery, allowing the restoration of blood flow. However, this treatment has disadvantages like developing intra-stent restenosis and progression of the atherosclerosis, clogging the blood vessel again. For these reasons it is necessary to develop new materials and strategies focused on the prevention and correction of this pathology and its subsequent complications. In the present work, a reduction and in situ nitrogen doping method in graphene oxide (N-rGO) was studied. By means of XPS a 9.57% at of nitrogen doping was demonstrated and was found that the pyrrole type nitrogen is predominant. Due to nitrogen doping and pyrrolic sites, the N-rGO surface reached high levels of negative electric charge, which was verified by Electrostatic Force Microscopy (EFM) and wettability tests between the LDL at different oxidation levels and the synthesized N-rGO; contact angles between 95.7° and 130.4° were obtained which indicates repulsion between both materials. The N-rGO was also characterized by SEM and TEM where a wrinkled morphology typical of this type of material was observed and the hexagonal atomic arrangement of GO is distinguished. Finally, cell viability tests using 3-(4,5-dimethylthiazolyl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay were carried out on human umbilical cord endothelial cells (HUVEC) to analyze the cellular response at different concentrations of N-rGO, obtaining favorable behavior up to concentrations of 100 (μg/mL).

研究の動機と目的

• 血管内のLDL蓄積を防ぐ新しいナノ材料を開発すること。これは動脈硬化性プラーク形成の主要な誘因である。
• 再狭窄や疾患進行などの現在のステント治療法の限界を克服すること。
• 還元と窒素ドーピングを同時に実施することで、表面電荷と生体適合性を向上させたグラフェンオキサイドを設計すること。
• N-rGOと酸化LDL形態との間の静電的相互作用を評価し、反発可能性を検証すること。
• ヒト内皮細胞におけるN-rGOの生体適合性を確認し、血管応用の可能性を検討すること。

提案手法

• ヒドラジンヘキシドールを用いた制御された条件下でのグラフェンオキサイドの化学的還元により、還元グラフェンオキサイド（rGO）を合成した。
• 還元過程中にアンモニアガスを用いて、同時に窒素ドーピングを実施し、イン・シチュウ窒素ドーピングを達成した。
• X線光電子分光法（XPS）を用いて窒素含有量および結合状態を同定し、9.57% at.の窒素含有量とピロリック型窒素が主な結合形態であることを確認した。
• 静電力顕微鏡（EFM）を用いて表面ζ電位および表面電荷密度を測定し、N-rGOに高い負の電荷が付与されていることを確認した。
• 接触角測定により、酸化状態が異なるLDLとN-rGO間の疎水性および界面的相互作用を定量した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた構造的・形態的分析により、しわだらけの形態と六角形格子構造が確認され、還元の成功と構造的整合性が裏付けられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンオキサイドの同時還元および窒素ドーピングによって、LDL粒子を静電的に反発するのに十分な負の表面電荷を持つ表面が得られるか？
• RQ2 ドーピングされたrGOにおける主要な窒素結合配置は何か？ また、それが表面電荷にどのように影響するか？
• RQ3 N-rGOの表面エネルギーおよび親水性は、酸化状態が異なるLDLと比較してどうか？
• RQ4 臨床的関連濃度において、N-rGOのヒトへその静脈内皮細胞（HUVECs）における細胞傷害性プロファイルは何か？
• RQ5 血管応用に適した生理的条件下でも、N-rGOは構造的整合性および機能的表面特性を維持できるか？

主な発見

• XPS分析により、窒素ドーピングレベルが9.57% at.であることが確認され、ピロリック型窒素が主な結合形態であった。
• 静電力顕微鏡（EFM）および接触角測定により、N-rGOに顕著な負の表面電荷が存在することが示され、LDLと反発する際の接触角は95.7°～130.4°の範囲であった。
• 高い接触角範囲は、N-rGOとLDLの間の強い静電的反発を示しており、LDLの付着を効果的に防ぐ可能性がある。
• SEMおよびTEM画像により、rGOの典型的なしわだらけの形態と六角形原子格子の存在が確認され、還元の成功と構造的整合性が裏付けられた。
• MTTアッセイにより、100 μg/mLまでHUVEC細胞に顕著な細胞傷害性が認められず、将来的な血管応用に向けた良好な生体適合性が示された。
• 高い負の表面電荷と生体適合性の両方を備えたN-rGOは、ステントコーティングや血管インプラントにおいてLDL蓄積を防ぐ有望な候補である。