[논문 리뷰] Biocompatibility of Pristine Graphene Monolayers, Nanosheets and Thin Films

Jennifer Conroy, Navin Kumar Verma외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 10.

Graphene and Nanomaterials Applications참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 인간 폐상피세포 A549를 사용하여 정제된 그래핀 단층막, 나노시트 및 박막의 생체적합성을 평가한다. 다중 모odal 분석을 통해 세포 독성은 최소화되고, 형태적 변화는 없으며, 활성산소종 생성도 낮다는 것을 입증하여, 높은 독성의 탄소 블랙 대조군에도 불구하고 그래핀이 생물의학적 및 전자적 응용 분야에서 유망한 생체적합성 재료임을 확인한다.

ABSTRACT

There is an increasing interest to develop nanoscale biocompatible graphene structures due to their desirable physicochemical properties, unlimited application opportunities and scalable production. Here we report the preparation, characterization and biocompatibility assessment of novel graphene flakes and their enabled thin films suitable for a wide range of biomedical and electronic applications. Graphene flakes were synthesized by a chemical vapour deposition method or a liquid-phase exfoliation procedure and then thin films were prepared by transferring graphene onto glass coverslips. Raman spectroscopy and transmission electron microscopy confirmed a predominantly monolayer and a high crystalline quality formation of graphene. The biocompatibility assessment of graphene thin films and graphene flakes was performed using cultured human lung epithelial cell line A549 employing a multimodal approach incorporating automated imaging, high content screening, real-time impedance sensing in combination with biochemical assays. No detectable changes in the cellular morphology or attachment of A549 cells growing on graphene thin films or cells exposed to graphene flakes (0.1 to 5 ug/mL) for 4 to 72 h was observed. Graphene treatments caused a very low level of increase in cellular production of reactive oxygen species in A549 cells, but no detectable damage to the nuclei such as changes in morphology, condensation or fragmentation was observed. In contrast, carbon black proved to be significantly more toxic than the graphene. These data open up a promising view of using graphene enabled composites for a diverse scope of safer applications.

연구 동기 및 목표

• 정제된 그래핀의 다양한 형태—단층막, 나노시트, 박막—이 생물의학적 및 전자적 응용 분야에서 생체적합성을 평가하기 위해.
• 알려진 독성 탄소계 물질인 탄소 블랙과의 세포 독성 효과를 비교하기 위해.
• 이미징, 임피던스 감지 및 생화학적 분석을 융합한 다중 모달 접근법을 통해 세포 반응을 평가하기 위해.
• 그래핀 노출이 인간 폐상피세포에서 산화 스트레스 또는 핵 손상을 유도하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 화학기상증착 및 액체상 분리 방법을 통해 그래핀 플레이크를 합성하였다.
• 세포 배양 연구를 위한 박막을 제작하기 위해 유리 커버슬립에 그래핀을 전달하였다.
• 라만 스펙트로스코피 및 투과전자현미경을 사용하여 단층막 및 고순도 결정성의 확인을 위해 그래핀을 특성화하였다.
• A549 인간 폐상피세포를 0.1–5 µg/mL의 그래핀 플레이크에 4–72시간 노출하여 생체적합성 평가를 수행하였다.
• 자동화된 이미징, 고내용도 스크리닝, 실시간 임피던스 감지 및 생화학적 분석을 활용하여 세포 형태, 생존율 및 산화 스트레스를 평가하였다.
• 독성 수준을 비교하기 위해 탄소 블랙을 양성 대조군으로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정제된 그래핀이 단층막, 나노시트 또는 박막 형태로 인간 폐상피세포 A549에 세포 독성 효과를 유도하는가?
• RQ2 그래핀 노출이 시간이 지남에 따라 세포 형태, 부착력 및 생존율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 그래핀 노출 후 A549 세포에서 활성산소종 생성 수준은 어떠한가?
• RQ4 그래핀 노출이 A549 세포에서 핵 손상, 예를 들어 조임, 분열 등을 유도하는가?
• RQ5 동일한 세포 모델에서 그래핀의 독성은 탄소 블랙과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 4–72시간 동안 그래핀 박막 상에서 배양하거나 그래핀 플레이크(0.1–5 µg/mL)에 노출된 A549 세포에서 세포 형태나 부착력에 눈에 띄는 변화가 관찰되지 않았다.
• 그래핀 노출은 A549 세포에서 활성산소종 생성에 매우 낮은 수준의 증가를 유도하여 산화 스트레스가 최소임을 나타낸다.
• 그래핀 노출 후 A549 세포에서 핵의 형태 변화, 조임, 분열과 같은 눈에 띄는 핵 손상이 관찰되지 않았다.
• 탄소 블랙은 그래핀보다 유의적으로 높은 독성을 보였으며, 이는 본 모델에서 그래핀의 뛰어난 생체적합성을 강조한다.
• 라만 스펙트로스코피 및 투과전자현미경을 통해 주로 단층막이며 고순도 결정성을 가진 그래핀 구조의 형성이 확인되었다.
• 다중 모달 평가 접근법은 그래핀의 여러 생물학적 종료점에서의 안전성을 성공적으로 입증하였다.