[논문 리뷰] Reduction and simultaneous doping of graphene oxide to repel LDL in treatment of atherosclerosis disease

L M Rivera, A.F. Betancur외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 05.

Graphene and Nanomaterials Applications참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전기적으로 음성으로 상호작용하여 저밀도 콜레스테롤(oxLDL)을 밀어내는 데 목적이 있는 질소 도핑된 감소된 그래핀 옥사이드(N-rGO)를 새로운 생체재료로 제안한다. 동시에 감소 및 현장 내 질소 도핑을 통해 높은 음성 표면 전하(EFM 및 접촉각 측정으로 확인)를 달성하여 oxLDL를 밀어내며(접촉각 95.7°–130.4°), 인간 혈관내피세포(HUVEC)에서 100 μg/mL 이하에서는 유리한 생체적합성을 보였다.

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).

연구 동기 및 목표

• 혈관 내 LDL 축적을 방지하는 새로운 나노재료를 개발하여, 동맥경화성 플라크 형성의 핵심 원인이 되는 것을 목표로 한다.
• 재성장 및 질환 진행 등의 문제점을 해결하기 위해 현재의 stent 치료법의 한계를 극복하는 것을 목표로 한다.
• 감소와 동시에 질소 도핑을 통해 표면 전하와 생체상호작용성을 향상시킨 그래핀 옥사이드를 설계하는 것을 목표로 한다.
• N-rGO와 산화된 LDL 형태 간의 전기적 상호작용을 평가하여 밀어내기 잠재력을 분석하는 것을 목표로 한다.
• 혈관 응용을 위한 잠재적 가능성에 비추어 인간 내피세포에서 N-rGO의 생체적합성을 확인하는 것을 목표로 한다.

제안 방법

• 제어된 조건에서 히드라진 수화물로 그래핀 옥사이드를 화학적 감소시켜 감소된 그래핀 옥사이드(rGO)를 제조하였다.
• 감소 과정 중 암모니아 기체를 사용하여 rGO를 동시에 질소 도핑하여 현장 내 질소 도핑을 달성하였다.
• X선 광전자 분광법(XPS)을 이용해 질소 농도와 결합 상태를 특성화하여 9.57% at.의 질소 도핑을 확인하고 주로 피롤리딕형 질소가 우세함을 규명하였다.
• 전기적력 현미경(EFM)을 통해 표면 제타 전위 및 표면 전하 밀도를 측정하여 N-rGO 표면에 높은 음성 전하가 존재하는 것을 확인하였다.
• 다양한 산화 수준에서 N-rGO와 LDL 간의 접촉각 측정을 통해 수분성 및 계면 상호작용을 정량화하였다.
• 주름진 형태와 헥세고날 원자 격자 존재 여부를 확인하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM) 및 투과 전자현미경(TEM)을 이용한 구조적 및 형태학적 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 옥사이드의 동시에 감소 및 질소 도핑이 LDL 입자를 전기적으로 밀어내기에 충분한 음성 표면 전하를 갖는 표면을 생성할 수 있는가?
• RQ2 도핑된 rGO에서 지배적인 질소 결합 구조는 무엇이며, 이는 표면 전하에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 N-rGO의 표면 에너지 및 습윤성은 다양한 산화 상태에서 LDL과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 임상적으로 관련성이 있는 농도에서 인간 난소정맥내피세포(HUVECs)에서 N-rGO의 세포독성 프로파일은 어떠한가?
• RQ5 혈관 응용에 적합한 생리적 조건에서 N-rGO 재료는 구조적 안정성과 功能적 표면 특성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• XPS 분석을 통해 질소 도핑 수준이 9.57% at.로 확인되었으며, 주로 피롤리딕형 질소가 지배적인 결합 구조임을 규명하였다.
• 전기적력 현미경(EFM) 및 접촉각 측정 결과, N-rGO 표면에 매우 높은 음성 전하가 존재함을 입증하였으며, LDL와의 상호작용에서 접촉각 범위가 95.7°에서 130.4°로 측정되었다.
• 높은 접촉각 범위는 N-rGO와 LDL 사이에 강한 전기적 반발력이 존재함을 시사하며, LDL 부착 방지에 효과적일 가능성이 있음을 나타낸다.
• SEM 및 TEM 영상 분석을 통해 rGO의 전형적인 주름진 형태와 헥세고날 원자 격자의 존재를 확인하여 감소 및 구조적 안정성이 성공적으로 달성되었음을 입증하였다.
• MTT 시험 결과, HUVEC 세포에서 100 μg/mL 이하에서는 유의미한 세포독성이 관찰되지 않아, 향후 혈관 응용을 위한 유리한 생체적합성을 보였다.
• 높은 음성 표면 전하와 생체적합성의 조합은 N-rGO가 스텐트 코팅 또는 혈관 임플란트에서 LDL 축적을 방지하는 데 유망한 후보로 부상시킨다.