Cosa ci fa il grafene nei polmoni?

Il materiale di cui è fatto il grafene è resistente alla trazione e allo strappo, altamente elastico e elettricamente conduttivo. Il grafene ha molte proprietà straordinarie, che rendono possibili applicazioni rivoluzionarie nei settori più diversi. Non per niente l'UE ha lanciato la "Graphene Flagship", che è sostenuta con un miliardo di euro ed è quindi considerata la più grande iniziativa di ricerca europea. Nell'ambito di questo enorme progetto, l'Empa contribuisce anche con il suo know-how, poiché i possibili aspetti sanitari e gli effetti sull'organismo umano giocano un ruolo essenziale nel contesto della ricerca sul grafene a livello europeo.

Queste attività hanno ora dato origine a un ulteriore progetto finanziato dal Fondo Nazionale Svizzero per la Scienza (FNS), che è stato recentemente lanciato dall'Empa e dall'AMI. Viene utilizzato un modello di polmone 3-D cellulare, con il quale i ricercatori vogliono scoprire quali effetti il grafene e i materiali simili al grafene possono avere sul polmone umano - e in condizioni che siano il più possibile vicine alla realtà. Una sfida, perché non tutto il grafene è uguale. A seconda del metodo di produzione e della lavorazione, si produce una grande varietà di forme e qualità del materiale, che a sua volta può scatenare diverse reazioni nei polmoni.

Il team di ricerca guidato da Peter Wick, Tina Bürki e Jing Wang dell'Empa e Barbara Rothen-Rutishauser e Barbara Drasler dell'AMI ha recentemente pubblicato i primi risultati nella rivista scientifica "Carbon". Con il modello polmonare 3-D, i ricercatori sono riusciti a ricreare realisticamente le condizioni reali della barriera aria-sangue e l'effetto del grafene nel tessuto polmonare - senza esperimenti su animali o umani. Si tratta di un modello cellulare che raffigura gli alveoli polmonari. I test convenzionali in vitro lavorano con colture cellulari di un solo tipo di cellula - il modello polmonare stabilito, invece, consiste di tre diversi tipi di cellule che simulano le condizioni all'interno del polmone, cioè cellule epiteliali alveolari e due tipi di cellule immunitarie - macrofagi e cellule dendritiche.

Un altro fattore che è stato poco considerato finora negli esperimenti in vitro è il contatto delle particelle di grafene attraverso l'aria. Di solito, le cellule vengono coltivate in un piatto di coltura in una soluzione nutritiva ed esposte a materiali, per esempio il grafene, in questa forma. Nella realtà, però, cioè alla barriera polmonare, è diverso.

"È molto probabile che l'organismo umano entri in contatto con le particelle di grafene attraverso l'aria che respiriamo", dice Tina Bürki del dipartimento di ricerca Particles-Biology Interactions dell'Empa. Le particelle vengono quindi inalate ed entrano in contatto diretto con il tessuto polmonare. Il nuovo modello di polmone è impostato in modo tale che le cellule si trovano su una membrana filtrante porosa all'interfaccia aria-liquido e i ricercatori spruzzano le particelle di grafene sulle cellule polmonari con l'aiuto di un atomizzatore per ricreare il processo nel corpo il più vicino possibile. La coltura cellulare tridimensionale virtualmente "respira" le polveri di grafene.

Al fine di rilevare anche i cambiamenti cronici nel corpo, il progetto SNSF durerà tre anni; il prossimo passo saranno studi a lungo termine con il modello polmonare. Wick e il suo team stanno esponendo le cellule polmonari non solo a particelle di grafene puro ma anche a particelle di grafene abrase da materiali compositi, che sono classicamente usati per rinforzare i polimeri. Jing Wang del dipartimento Advanced Analytical Technologies dell'Empa è coinvolto nel progetto.

Per poter stimare la quantità di particelle di grafene a cui le persone sono esposte nel modo più realistico possibile anche qui, Wang esamina e quantifica l'abrasione dei materiali compositi. Utilizzando questi dati, il team espone il modello polmonare 3-D a condizioni realistiche ed è in grado di fare previsioni a lungo termine sulla tossicità del grafene e dei materiali simili al grafene.