Il grafene è in grado di attraversare la barriera emato-aria, la barriera emato-testicolare, la barriera emato-encefalica, la barriera emato-placentare e di accumularsi nei polmoni, nel fegato e nella milza ecc. provocando importanti interferenze nel corretto funzionamento degli organi[1].

Il grafene è un reticolo di atomi di carbonio legati in un reticolo a nido d’ape, spesso può essere costituito da un solo atomo, e ha una conduttività piuttosto elevata.

Ha una struttura bidimensionale che presenta molti vantaggi rispetto, ad esempio, al silicio aumentando la sensibilità dei sensori a transistor.

Questa elevata sensibilità è stata dimostrata nel 2007 dai ricercatori del Manchester Center for Mesoscience and Nanotechnology. In quel caso fu provata la rilevazione di singole molecole di gas che si attaccavano e staccavano da una superficie attraverso l’uso di sensori di dimensioni micrometriche. Ma i sensori costruiti con grafene sono stati capaci anche di rilevare un biomarcatore del rischio del cancro, la gonadotropina corionica umana[2], una glicoproteina. Un sistema che potrebbe essere utilizzato anche per rilevare problemi neurodegenerativi e cardiovascolari.

Questo tipo di applicazione è stata possibile a partire dal 2004, quando la scienza è riuscita a isolare il grafene dalla grafite, un materiale che è riuscito a dimostrare proprietà elettriche, ottiche, meccaniche e termiche.

Questa giustificazione sta consentendo ai ricercatori di proseguire nelle loro attività malgrado le forti implicazioni negative già riscontrate sulla salute degli esseri viventi.

In genere si preferisce costruire le reti di grafene  (GFN) su dei ‘wafer’ di silicio perchè la tecnologia e le conoscenze scientifiche attuali non consentono di costruire nanotubi o nanofili unidimensionali in quanto questi prenderanno forme casuali. La casualità di queste formazioni viene accentuata da spessore e larghezza degli oggetti in cui questi dispositivi si trovano[3].

Questo tipo di materiale è considerato anche utile alle bioapplicazioni malgrado la nocività: è stato scoperto, infatti, che è possibile l’assorbimento di DNA a filamento singolo (ssDNA) su fogli di grafene (GFN) ma anche il trasporto nelle cellule viventi e in sistemi in vivo. Una rivelazione che ha candidato il grafene negli studi biotecnologici.

Il grafene può infatti rilevare molecole, DNA, proteine e cellule e può, quindi, essere usato per trasportare farmaci.

Fonte: Ying Wang,…Yuehe Lin, ‘Graphene and grapheme oxide: biofunctionalization and applications in biotechnology’, Volume 29, Issue 5, May 2011, Pages 205-212 disponibile in: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779911000199

L’immagine in alto mostra come il grafene e i suoi derivati siano funzionalizzati da cellule, batteri, proteine ecc. attraverso l’assorbimento fisico o la coniugazione chimica e questi biosistemi sono stati usati per costruire piattaforme biologiche, biosensori e biodispositivi.

“Attraverso un processo di auto-assemblaggio sotto forti ultrasuoni, monostrati di molecole di ssDNA sono stati assorbiti su entrambe i lati dei fogli di grafene mediante impilamento” affermano alcuni ricercatori cinesi[4]  supportati dal National Institute of Environmental Health Sciences, NIH (Antony Fauci),  dal CounterACT Program attraverso il National Institute of Neurological Disorders and Stroke e dal National Natural Science Foundation of China. E proseguono: “Un altro approccio elegante al legame del grafene con il DNA include la formazione di nanoparticelle (NP) abbinate a biosistemi di grafene”. Ma è possibile anche fabbricare compositi  ssDNA-proteina-grafene.

La ‘eleganza’ delle tecnologie in oggetto, tuttavia, mal si accorda con la normativa internazionale recepita da molti paesi e positivizzata attraverso leggi nazionali intese a preservare il Codice della Vita.

Le questioni etiche e in materia di sicurezza derivanti da queste sperimentazioni non sono di poco conto in quanto si sta lavorando sulla possibilità tecnica di usare i nano fogli di grafene come vettori per i farmaci nelle cellule viventi per la capacità di trasportare il DNA attraverso le membrane cellulari. Ad esempio è stato dimostrato come possa entrare anche nelle cellule epiteliali di topo (ingegneria tissutale).

In particolare le nanoparticelle con diametri <100 nm possono entrare nelle cellule e quelle con diametri <40 nm possono entrare nel nucleo.

Le nanoparticelle di ossido di grafene rivestite di proteine ​​più grandi (PCGO) (~ 1 μm) entrano nelle cellule principalmente attraverso la fagocitosi e le nanoparticelle di PCGO più piccole (~ 500 nm) entrano nelle cellule principalmente attraverso l’endocitosi, un processo attraverso il quale le cellule assorbono materiale attraverso la membrana cellulare[5].

Dunque, secondo i ricercatori i vantaggi per le applicazioni biotecnologiche, soprattutto nei settori della bioelettronica, dei biosensori e della medicina sono molteplici. Tuttavia, la fusione di grafene e biotecnologia è agli inizi, con molte sfide da affrontare. Per i ricercatori il controllo delle dimensioni e del numero di singoli strati di grafene separati dalla grafite sfusa potrebbe essere la sfida principale per l’applicazione del grafene come elemento costitutivo dei biosistemi funzionalizzati.

Rimangono quasi del tutto sconosciuti dati riguardanti la citotossicità, il meccanismo di assorbimento cellulare e la via metabolica intracellulare del grafene e dei suoi derivati, pur essendo aree di ricerca molto importanti, potremmo dire cruciali se il grafene dovesse essere usato negli studi sulle cellule viventi e per applicazioni in vivo[6].

Un aspetto che viene approfondito dai ricercatori[7] riguarda proprio i diversi gradi di tossicità che i GFN possono esercitare negli animali o nei modelli cellulari seguendo diverse vie di somministrazione e penetrando attraverso le barriere fisiologiche, venendo successivamente distribuiti nei tessuti o localizzati nelle cellule, per poi essere espulsi dai corpi. Ma durante il loro passaggio i fogli di grafene rivelano meccanismi tossici tipici come ad esempio distruzione fisica, stress ossidativo, danno al DNA, risposta infiammatoria, apoptosi, autofagia e necrosi. In pratica vengono attivati fattori coinvolti nella crescita tumorale e nella frammentazione del DNA[8].

I ricercatori hanno osservato attraverso i diversi tipi di somministrazione di farmaci, geni, biosensori per l’ingegneria tissutale e la neurochirurgia, ad esempio, come agisca il grafene introdotto “(…) mediante instillazione intratracheale, somministrazione orale, iniezione endovenosa, iniezione intraperitoneale e iniezione sottocutanea. I GFN possono indurre lesioni acute e croniche nei tessuti: in virtù delle nanodimensioni dei GFN, il grafene penetra attraverso la barriera emato-aria, la barriera emato-testicolare, la barriera emato-encefalica e la barriera emato-placentare ecc. e accumulandosi nei polmoni, nel fegato e nella milza ecc. Provocando importanti interferenze nel corretto funzionamento degli organi[9].

Ad esempio, alcuni aerosol di nanomateriali di grafene possono essere inalati e depositarsi in modo sostanziale nel tratto respiratorio, e possono facilmente penetrare attraverso le vie aeree tracheobronchiali e quindi transitare fino alle vie aeree polmonari inferiori, con conseguente formazione di granulomi, fibrosi polmonare ed effetti nocivi sulla salute delle persone esposte”.

I ricercatori usando l’iniezione endovenosa per valutare la tossicità dei nanomateriali di grafene hanno trovato che il grafene circola attraverso il corpo dei topi dopo 30 minuti dall’iniezione, accumulandosi ad alte concentrazioni nel fegato e nella vescica.

I nanosheet GO inalati, invece, possono distruggere l’ultrastruttura e le proprietà biofisiche del surfattante polmonare (PS)[10], che è la prima linea di difesa dell’ospite, e far emergere la loro potenziale tossicità.

Inoltre i punti quantici di grafene (GQD), con una piccola dimensione inferiore a 100 nm, possono attraversare la barriera ematoencefalica [ 64 ]. Gli studi su come i materiali di grafene attraversano la barriera ematoencefalica e causano neurotossicità sono molto rari e sono necessari più dati per trarre una conclusione.

Il grafene può anche attraversare la barriera placentare, indispensabile per il mantenimento della gravidanza, poiché media lo scambio di nutrienti e prodotti di scarto metabolico, esercita funzioni metaboliche vitali e secerne ormoni. Gli studi dei ricercatori  hanno mostrato che molte nanoparticelle sono state in grado di attraversare la barriera placentare influenzando fortemente lo sviluppo degli embrioni. E’ stato, infatti, riscontrato come le femmine di topo gravide abbiano abortito con vari dosaggi di grafene e la maggior parte delle femmine gravide è morta quando un’alta dose di rGO è stata iniettata durante la tarda gestazione. Inoltre lo sviluppo della prole è stato ritardato nel gruppo di cavie trattate con alti dosaggi durante il periodo di allattamento[11].

Ma anche gli studi sull’esposizione ai materiali di grafene attraverso la barriera placentare sono carenti e il modo in cui queste particelle si trasferiscono agli embrioni dovrebbe essere valutato in dettaglio in futuro.

E’ stata analizzata anche la somministrazione per via endovenosa del GO ed è stato riscontrato che il nanomateriale è entrato nel corpo attraverso la circolazione sanguigna ed è stato altamente trattenuto nei polmoni, nel fegato, nella milza e nel midollo osseo (in seguito gradualmente eliminato) e sono state osservate infiltrazioni di cellule infiammatorie, formazione di granulomi ed edema polmonare nei polmoni dei topi dopo l’iniezione endovenosa. Una dose elevata di GO forma aggregazioni e può bloccare i vasi sanguigni polmonari e provocare dispnea[12].

Ma la ricerca sul grafene non è destinata a fermarsi. I ricercatori di Shangai sono riusciti a costruire transistor nanometrici della dimensione di un atomo di carbonio: 0,34 nm. I transistor sono formati da una sorgente attraverso cui scorre la corrente, un canale attraverso cui l’elettricità viene incanalata, un gate che attiva e disattiva lo scorrimento della corrente e uno scarico. Per realizzare questo tipo di transistor sono stati usati nanotubi di carbonio[13].

I nanochip, come si è visto, sono utilizzati dalle aziende farmaceutiche per sviluppare farmaci e studiare la cinetica delle interazioni molecolari. IBM e Samsung si stanno dando da fare per lo sviluppo di questi dispositivi che costituirebbero un vero e proprio nuovo organo di senso. La nuova, inquietante frontiera della scienza sono le interfacce neurali che avrebbero una funzione di mediazione tra i computer e il cervello umano: “La combinazione di queste tecnologie potrebbe dar vita a veri organismi cibernetici”, afferma il Moscow Institute of Physics and technology (2018-04-team-world-biosensor-chips-based)[1].

Una questione controversa su cui il filosofo Yuval Noah Harari sta conducendo un lavoro di divulgazione tanto instancabile quanto deprecabile: “Nelle generazioni che verranno, impareremo come ingegnerizzare corpi e cervelli e menti. Questo sarà il principale prodotto dell’economia del 21mo secolo. Non tessuti e veicoli e armi ma corpi e cervelli e menti”, afferma Harari, ideologo del transumanesimo, dell’intelligenza artificiale e guru di Klaus Schwab, fondatore del World Economic Forum. Harari si chiede, quindi, come apparirà la vita sul pianeta nel futuro e si risponde asserendo che “questa sarà una decisione che prenderanno quelle persone che posseggono i dati e controllano i dati e controlleranno il futuro non solo dell’umanità ma il futuro della vita stessa”[2].

La conoscenza in ambito scientifico sta raggiungendo risultati ragguardevoli e superando ogni immaginazione. Come usiamo questa conoscenza? Siamo arrivati al punto della nostra storia comune su questo pianeta in cui dobbiamo comprendere come non sia possibile lasciare la scienza a sé stessa e al suo potenziale di degradazione e distruzione della vita umana[14].

Chiara Madaro – 8 agosto 2022

[1] Lingling Ou, Bin Song, Huimin Liang, Jia Liu, Xiaoli Feng, Bin Deng, Ting Sun, Longquan Shao, ‘Toxicity of grapheme-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanism’, 31 ottobre 2016 disponibile in: https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-016-0168-y

[2] Haslam carrie, Damiati Samar, Whitley Toby, Davey Paul, Ifeachor Emmanuel, Awan a. Shakil, ‘Label-free sensors based on grapheme field-effect transistors for the detection of human chorionic gonadotropin cancer risk biomarker’, marzo 2018, doi: 10.3390/diagnostics8010005, disponibile in: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5871988/

[3] Miklos Bolza, ‘Understanding field effect transistors’, disponibile in: https://www.graphenea.com/pages/what-are-graphene-field-effect-transistors-gfets

[4] Ying Wang,…Yuehe Lin, ‘Graphene and grapheme oxide: biofunctionalization and applications in biotechnology’, Volume 29, Issue 5, May 2011, Pages 205-212 disponibile in: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779911000199

[5] Lingling Ou, Bin Song, Huimin Liang, Jia Liu, Xiaoli Feng, Bin Deng, Ting Sun, Longquan Shao, ‘Toxicity of grapheme-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanism’, 31 ottobre 2016 disponibile in: https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-016-0168-y

[6] Ying Wang,…Yuehe Lin, ‘Graphene and grapheme oxide: biofunctionalization and applications in biotechnology’, Volume 29, Issue 5, May 2011, Pages 205-212 disponibile in: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779911000199

[7] Lingling Ou, Bin Song, Huimin Liang, Jia Liu, Xiaoli Feng, Bin Deng, Ting Sun, Longquan Shao, ‘Toxicity of grapheme-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanism’, 31 ottobre 2016 disponibile in: https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-016-0168-y

[8] Sangiliyandi Gurunathan, Min-Hee Kang, Muniayandi Jeyaraj, Jin-Hoi Kim, ‘Differential cytotoxicity of different sizes of grapheme oxide nanoparticles in Leydig (TM3) and Sertoli (TM4) cells’, pubblicato il 22 gennaio 2019 in Nanomaterials (Basilea), doi: 10.3390/nano9020139, disponibile in: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6410280/

[9] Lingling Ou, Bin Song, Huimin Liang, Jia Liu, Xiaoli Feng, Bin Deng, Ting Sun, Longquan Shao, ‘Toxicity of grapheme-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanism’, 31 ottobre 2016 disponibile in: https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-016-0168-y

[10] Il surfattante polmonare è un tappet di lipidi, protein e carboidrati che riveste gli alveoli e le vie aeree. Fonte: Terzano C., Allegra L., ‘Surfattante polmonare’, Capitolo 2https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-88-470-0467-2_2.pdf

[11] Lingling Ou, Bin Song, Huimin Liang, Jia Liu, Xiaoli Feng, Bin Deng, Ting Sun, Longquan Shao, ‘Toxicity of grapheme-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanism’, 31 ottobre 2016 disponibile in: https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-016-0168-y

[12] Lingling Ou, Bin Song, Huimin Liang, Jia Liu, Xiaoli Feng, Bin Deng, Ting Sun, Longquan Shao, ‘Toxicity of grapheme-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanism’, 31 ottobre 2016 disponibile in: https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-016-0168-y

[13] Jason Dorrier, ‘Moore’s law: scientists just made a graphene transistor gate the width of an atom’, 13 marzo 2022, disponibile in: https://singularityhub.com/2022/03/13/moores-law-scientists-just-made-a-graphene-transistor-gate-the-width-of-an-atom/

[14] Morin Edgar, Universidas Nacional de Mexico, Centro de investigaciones interdisciplinarias Ciencias y Humanidades, “Edgar Morin, Una visión integradora”. Introducción al piensamiento complejo’ – Ciencias Naturales, Sociales y Humanas 2014’, CEIICH – UNAM 1986-2006 diponibile in: Morin Complejidad https://www.youtube.com/watch?v=D2qQQC36WRk

[1] Moscow Institute of Physics and Technology, ‘Team delivers world’s first biosensors chips based on copper and grapheme oxide’, 1 aprile 2018, disponibile in: https://phys.org/news/2018-04-team-world-biosensor-chips-based.html

[2] Yuval Noah Harari, World Economic Forum, ‘Will the future be human?’, disponibile in: https://www.ynharari.com/