[論文レビュー] Biocompatibility of Pristine Graphene Monolayers, Nanosheets and Thin Films

Jennifer Conroy, Navin Kumar Verma+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2014

Graphene and Nanomaterials Applications参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、ヒト肺上皮細胞A549を用いて、純粋なグラフェンの単層膜、ナノシート、薄膜の生体適合性を評価した。マルチモーダルなアッセイを用いて、細胞傷害性は最小限に抑えられ、顕著な形態的変化や反応性酸素種の生成も認められず、炭素ブラックの対照群に比べて毒性が高かったにもかかわらず、グラフェンが医療および電子用途に向けた有望な生体適合性材料であることが示された。

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.

研究の動機と目的

• 純粋なグラフェンをさまざまな形態（単層膜、ナノシート、薄膜）で、医療および電子用途への応用を想定して、生体適合性を評価すること。
• グラフェンの細胞傷害性を、既知の毒性を示す炭素系材料である炭素ブラックと比較すること。
• 画像法、インピーダンスセンシング、生化学的アッセイを統合したマルチモーダルなアプローチを用いて、細胞応答を評価すること。
• グラフェンの曝露がヒト肺上皮細胞に酸化的な損傷や核への損傷を引き起こすかどうかを検証すること。

提案手法

• 化学気相成長法および液体相剥離法を用いてグラフェンフラクショナルを合成した。
• ガラスカバースリップにグラフェンを転写し、細胞培養用の薄膜を調製した。
• ラマン分光法および透過型電子顕微鏡を用いて、単層膜および高結晶性の確認を行った。
• A549ヒト肺上皮細胞を、グラフェンフラクショナル（0.1–5 µg/mL）に4–72時間曝露し、生体適合性を評価した。
• 自動画像解析、ハイコアスクリーニング、リアルタイムインピーダンスセンシング、生化学的アッセイを用いて、細胞形態、生存率、酸化的なストレスを評価した。
• 毒性レベルの比較のため、炭素ブラックを陽性対照群として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋なグラフェンが単層膜、ナノシート、または薄膜の形で、ヒト肺上皮細胞A549に細胞傷害性を引き起こすか？
• RQ2 グラフェンの曝露が、時間経過に伴って細胞形態、接着性、生存率にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 グラフェンの曝露後にA549細胞で反応性酸素種がどの程度生成されるか？
• RQ4 グラフェンの曝露により、A549細胞に核の凝集や断片化などの検出可能な核損傷が生じるか？
• RQ5 同じ細胞モデルにおいて、グラフェンの毒性は炭素ブラックに比べてどの程度か？

主な発見

• 4–72時間の間、グラフェン薄膜上に培養されたA549細胞、またはグラフェンフラクショナル（0.1–5 µg/mL）に曝露された細胞において、細胞形態や接着性の顕著な変化は観察されなかった。
• グラフェンの曝露により、A549細胞での反応性酸素種の生成は非常にわずかに増加したが、酸化的なストレスは最小限に抑えられていた。
• グラフェンの曝露後、A549細胞に核の形態変化、凝集、断片化などの検出可能な核損傷は観察されなかった。
• 炭素ブラックはグラフェンに比べて顕著に高い毒性を示し、本モデルにおいてグラフェンの優れた生体適合性が裏付けられた。
• ラマン分光法および透過型電子顕微鏡により、主に単層膜で高結晶性を示すグラフェン構造の形成が確認された。
• マルチモーダルなアッセスメントアプローチにより、複数の生物学的指標においてグラフェンの安全性が明確に示された。