Medycyna regeneracyjna nie jest obecnie zbyt popularnym pojęciem, ale być może niedługo większość Polaków będzie z niej korzystać. Społeczeństwo starzeje się bowiem w bardzo szybkim tempie. Szacuje się, że w 2050 roku 40 proc. z nas będzie miało powyżej 60 lat. Matuzalemowy wiek niesie ze sobą nie tylko bogate doświadczenie życiowe, ale niestety również ryzyko wielu chorób.
Często nasi dziadkowie i babcie uskarżają się na bóle kości – kolan, rąk, kręgosłupa. Ludzkie „rusztowanie” zużywa się podczas życia i na starość zaczyna szwankować. Sięgamy wtedy po tabletki przeciwbólowe, żele chłodzące, lub suplementy. Niekiedy sytuacja jest bardziej zaawansowana i potrzebne są implanty kości. W tej materii nowoczesna medycyna jest w stanie zaoferować wiele. Badania niosą za sobą coraz nowocześniejsze rozwiązania, wykorzystujące innowacyjne materiały. Jednym z takich rozwiązań, o którym warto wiedzieć więcej jest grafen płatkowy i jego medyczne zastosowanie.
Czym jest grafen?
Grafen i jego pochodne to dwuwymiarowe związki węgla o udowodnionej doświadczalnie doskonałej biokompatybilności, wytrzymałości mechanicznej, o charakterystycznym ułożeniu atomów węgla przypominającym plaster miodu. Okazuje się, że pokrycie ceramicznego lub metalicznego podłoża płatkami grafenu o określonej, zaprogramowanej przez naukowców funkcji umożliwia przekształcenie go w nowoczesne rusztowanie inżynierii tkanki kostnej.
„Grafen w kontekście biomedycznym może znaleźć wiele zastosowań. Powstało już wiele publikacji naukowych w prestiżowych czasopismach naukowych udowadniających możliwość aplikacji grafenu płatkowego na potrzeby medycyny regeneracyjnej oraz do terapii antynowotworowych” – tłumaczy dr inż. Adrian Chlanda z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki.
Jak wyjaśnia naukowiec, obecnym trendem, stanowiącym fundament nowoczesnej inżynierii tkankowej jest wykorzystanie narzędzi medycyny spersonalizowanej, opartej na dokładnym odwzorowaniu miejsca ubytku kości i wykorzystania materiałów degradowalnych. Po wypełnieniu swojej funkcji (regeneracji uszkodzonej tkanki) rozpuszczą się w ciele człowieka, nie doprowadzając do odczynu zapalnego lub innych powikłań. Są więc one alternatywą dla stopów metali, które – w bezpośrednim sąsiedztwie implantu – mogą korodować w organizmie człowieka (zjawisko metalozy).
Nic dziwnego, że w Łukasiewicz – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki naukowcy pracują obecnie nad tym, aby grafen zaczął być szeroko dostępny na rynku biomedycznym. Jak tłumaczy dr inż. Adrian Chlanda, należy w tym celu rygorystycznie przestrzegać kilku zasad.
Po pierwsze, proces produkcji grafenu płatkowego musi gwarantować powtarzalność jakości i właściwości finalnego materiału. Po drugie, należy dążyć do obniżenia kosztów produkcji wysokiej jakości grafenu płatkowego. Nad obiema tymi kwestiami pracuje aktualnie zespół badawczy. I mimo że grafen został stosunkowo niedawno odkryty, ma szansę w przyszłości zrewolucjonizować inżynierię tkankową.
„Prowadzone obecnie na całym świecie badania z wykorzystaniem grafenu do aplikacji na potrzeby inżynierii tkanki kostnej jednoznacznie wskazują na jego pozytywne oddziaływanie na komórki kostne” – mówi dr inż. Adrian Chlanda.
Grafen nie tylko do implantów kości
Warto zwrócić także uwagę na zastosowanie grafenu w terapiach antynowotworowych. Jednak wiele osób może zastanawiać się, jak to możliwe. Materiał, który niejako ma budować kości, może być zarazem czynnikiem wywołującym śmierć komórek nowotworowych? Okazuje się, że to niewykluczone. Aby zrozumieć, dlaczego tak jest, musimy spojrzeć na wiele odmian i materiałów pochodnych grafenu.
Grafen płatkowy może również zostać zaprojektowany w sposób, który umożliwia wykorzystanie go jako nośnika leków w terapiach antynowotworowych. Najczęściej w tym celu stosuje się grafen modyfikowany nanocząsteczkami metali. Zadaniem grafenu jest dostarczenie skondensowanej dawki takich cząsteczek w zmienione nowotworowo miejsce i umożliwienie wchłonięcia metalicznych nanocząstek przez komórki nowotworowe, doprowadzając w ten sposób do ich śmierci.
„Potrafimy wytworzyć taki grafen płatkowy, który potrafi zainicjować pożądaną odpowiedź biologiczną. Właśnie dlatego możliwe jest realne zastosowanie grafenu płatkowego do tak różnych aplikacji biomedycznych” – mówi dr inż. Adrian Chlanda.
Można modyfikować powierzchnię płatków grafenu i przyczepiać do niej np. nanomateriały o ściśle określonej funkcji biologicznej. Innymi słowy, dla konkretnego problemu medycznego tak dobrać zestaw parametrów, aby materiał mógł spełniać swoje funkcje. Różne rodzaje wysokiej klasy grafenu płytkowego wytwarza Grupa Badawcza Grafen i Kompozyty, działająca przy Łukasiewicz – IMiF. Tamtejsi eksperci są w stanie wykorzystać szeroki potencjał materiału i jego unikalne właściwości na potrzeby biomedycyny.
Co ciekawe, w dobie pandemii COVID-19 pojawiły się także doniesienia literaturowe mówiące o możliwości wykorzystania grafenu przy produkcji maseczek. Dr inż. Chlanda zdradza jeszcze jedno ciekawe zastosowanie grafenu – otóż przyłączając do jego powierzchni nanocząsteczki tlenku tytanu można uzyskać materiał o właściwościach fotokatalicznych, czyli samoczyszczących, eliminujących grzyby, bakterie, a nawet wirusy.
Eksperci Łukasiewicz – IMiF podkreślają, że udane zastosowanie grafenu płatkowego wytworzonego z wykorzystaniem technologii i know-how badaczy stanowi jednoznaczny dowód na wysoką jakość i czystość wytwarzanego przez nich grafenu. Instytut jest otwarty na współpracę z przedsiębiorcami. Już teraz wiele gałęzi przemysłu sięga po grafen płatkowy jako materiał o unikalnych właściwościach. Wykorzystanie go w biomedycynie otwiera szeroko drzwi do skutecznych rozwiązań na wiele współczesnych problemów.
Pojawił się również nowatorski projekt polskich naukowców, którzy w grafenie upatrują nadzieję dla chorych na chorobę Parkinsona.