Novo material “melhor que o grafeno” pode transformar a tecnologia implantável

Os pesquisadores ajustaram o borofeno para interagir com células e outras unidades biológicas de maneiras únicas.

Mova-se, grafeno. Há um material bidimensional novo e melhorado no laboratório. O borofeno, a versão atomicamente fina do boro sintetizada pela primeira vez em 2015, é mais condutor, mais fino, mais leve, mais forte e mais flexível do que o grafeno, a versão 2D do carbono. Agora, pesquisadores da Penn State tornaram o material potencialmente mais útil ao transmitir-lhe quiralidade – ou lateralidade –, o que poderia resultar em sensores avançados e dispositivos médicos implantáveis. A quiralidade, induzida através de um método nunca antes utilizado em borofenopermite que o material interaja de maneiras únicas com diferentes unidades biológicas, como células e precursores de proteínas.

A equipe, liderada por Dipanjan Pan, Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Professor Catedrático em Nanomedicina e professor de ciência e engenharia de materiais e de engenharia nuclear, publicou seu trabalho – o primeiro desse tipo, disseram – em ACS Nano.

“O borofeno é um material muito interessante, pois se assemelha muito ao carbono, incluindo seu peso atômico e estrutura eletrônica, mas com propriedades mais notáveis. Os pesquisadores estão apenas começando a explorar suas aplicações”, disse Pan. “Até onde sabemos, este é o primeiro estudo a compreender as interações biológicas do borofeno e o primeiro relatório de transmissão de quiralidade nas estruturas do borofeno.”

Compreendendo a quiralidade

Quiralidade refere-se a fisicalidade semelhante, mas não idêntica, como mãos esquerda e direita. Nas moléculas, a quiralidade pode fazer com que unidades biológicas ou químicas existam em duas versões que não podem ser perfeitamente combinadas, como nas luvas esquerda e direita. Eles podem se espelhar com precisão, mas uma luva esquerda nunca caberá na mão direita tão bem quanto na mão esquerda.

O borofeno é estruturalmente polimórfico, o que significa que seus átomos de boro podem ser organizados em diferentes configurações para lhe conferir diferentes formas e propriedades, da mesma forma que o mesmo conjunto de blocos de Lego pode ser construído em diferentes estruturas. Isso dá aos pesquisadores a capacidade de “sintonizar” o borofeno para conferir-lhe várias propriedades, incluindo a quiralidade.

Dipanjan Pan, à esquerda, Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Professor Catedrático em Nanomedicina e professor de ciência e engenharia de materiais e de engenharia nuclear, com Teresa Aditya, pesquisadora de pós-doutorado em engenharia nuclear, e David Skrodzki, assistente de pesquisa de pós-graduação em ciência de materiais e engenharia, no laboratório do Pan. Todos os três foram autores do estudo. Crédito: Cortesia de Dipanjan Pan

“Como este material tem um potencial notável como substrato para sensores implantáveis, queríamos aprender sobre o seu comportamento quando exposto às células”, disse Pan. “Nosso estudo, pela primeira vez, mostrou que várias estruturas polimórficas do borofeno interagem com as células de maneira diferente e suas vias de internalização celular são ditadas exclusivamente por suas estruturas.”

Os pesquisadores sintetizaram plaquetas de borofeno – semelhantes aos fragmentos celulares encontrados no sangue – usando síntese em estado de solução, que envolve a exposição de uma versão em pó do material em um líquido a um ou mais fatores externos, como calor ou pressão, até que se combinem no produto desejado.

Metodologia e Resultados

“Fizemos o borofeno submetendo os pós de boro a ondas sonoras de alta energia e depois misturamos essas plaquetas com diferentes aminoácidos em um líquido para transmitir a quiralidade”, disse Pan. “Durante esse processo, notamos que os átomos de enxofre nos aminoácidos preferiam aderir mais ao borofeno do que os átomos de nitrogênio dos aminoácidos.”

Os pesquisadores descobriram que certos aminoácidos, como a cisteína, se ligariam ao borofeno em locais distintos, dependendo da sua lateralidade quiral. Os pesquisadores expuseram as plaquetas de borofeno quiralizadas a células de mamíferos em uma placa e observaram que sua lateralidade mudou a forma como interagiam com as membranas celulares e entravam nas células.

De acordo com Pan, essa descoberta pode informar aplicações futuras, como o desenvolvimento de imagens médicas de alta resolução com contraste que possam rastrear com precisão as interações celulares ou uma melhor entrega de medicamentos com interações material-célula identificadas. De forma crítica, disse ele, compreender como o material interage com as células – e controlar essas interações – poderia um dia levar a dispositivos médicos implantáveis ​​mais seguros e eficazes.

“A estrutura única do Borofeno permite um controle magnético e eletrônico eficaz”, disse Pan, observando que o material pode ter aplicações adicionais em cuidados de saúde, energia sustentável e muito mais. “Este estudo foi apenas o começo. Temos vários projetos em andamento para desenvolver biossensores, sistemas de administração de medicamentos e aplicações de imagem para borofeno.”

Junto com Pan, outros autores do estudo incluem Teresa Aditya, pesquisadora de pós-doutorado em engenharia nuclear; Parikshit Moitra, professor assistente de pesquisa em engenharia nuclear na Penn State durante o estudo e atual professor assistente no Instituto Indiano de Educação e Pesquisa Científica; Maha Alafeef, pesquisadora da Penn State durante o estudo e atual professora assistente na Jordan University of Science and Technology; e David Skrodzki, assistente de pesquisa de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais na Penn State.

Os Centros de Controle e Prevenção de Doenças, a Fundação Nacional de Ciência dos EUA e o Departamento de Defesa apoiaram parcialmente esta pesquisa.