Człowiek, w swej naturze, fascynuje się poszukiwaniem zjawisk czy substancji o wyjątkowych, trudnych do wyjaśnienia, a wręcz zaprzeczających uznanym prawom naukowym właściwościach. Alchemia była nieodłącznym towarzyszem ludzkiej historii, a postać tajemniczego wynalazcy inspirowała wielu pisarzy. W polskiej literaturze najbardziej znaną postacią był Geist, tajemniczy chemik z Lalki Bolesława Prusa, który „wynalazł” metal lżejszy od powietrza i szkło posiadające właściwości metalu. Te fantastyczne pomysły w pewnym stopniu zostały urzeczywistnione. Jednym z dowodów na istnienie czegoś, co jeszcze do niedawna uważano za fakt (materiał) niemożliwy do samodzielnego istnienia, jest właśnie grafen.

Grafen jest częścią grafitu, teoretycznie wielu z nas, używając ołówka grafitowego, mogło w nieuświadomiony sposób „wyprodukować” grafen. Grafit zbudowany jest bowiem z płaskich warstw tzw. grafenu. Płaszczyznę grafenu tworzą atomy węgla połączone bardzo silnymi wiązaniami chemicznymi. Warstwy te są związane ze sobą bardzo słabymi wiązaniami Van der Waalsa, które można łatwo rozerwać, używając na przykład siły adhezji do innego ciała bądź też reakcji chemicznej, uzyskując w efekcie pojedyncze płatki grafenu.

Materiał przyszłości

Historia grafenu jest jedną z krótszych w sferze rozważań rodowodów substancji, związków czy pierwiastków chemicznych. Jedne z pierwszych teoretycznych rozważań na temat grafenu były tematem prac P. Wallace’a w 1947 roku, jednak powszechnie wówczas uważano, że struktura taka nie może samodzielnie występować w przyrodzie. Znacznie później, w roku 1987, S. Mouras wraz z zespołem opisali strukturę grafitu jako kryształu złożonego z warstw. Fakt, że grafit zbudowany jest z cienkich warstw nazwanych grafenem, które, jak sądzono, nie są zdolne do samodzielnego istnienia, nurtował wielu naukowców, a m.in. Andre Geima, uczonego rosyjskiego pochodzenia, który pracował na Uniwersytecie w Manchesterze. Pewnego dnia zawołał swego nowego doktoranta Konstantina Novosielova i polecił mu sprawdzić, czy można, „złuszczając” z grafitu cienkie warstwy, uzyskać pojedynczy płatek grafenu. Novosielov, który zajęty był wtedy innymi badaniami, pracował nad grafenem dodatkowo, co nazwano humorystycznie „Friday evening experiments”. Po dyskusjach z kolegami Novosielov zmienił metodę złuszczania grafitu na metodę odklejania warstw za pomocą taśmy samoprzylepnej. Grafit kładziono pomiędzy dwie warstwy tzw. skocza, po czym rozrywano je, dzieląc grafit na coraz mniejsze płatki. Czynność tę powtarzano wielokrotnie, a to, co pozostawało na taśmie, zdejmowano i oglądano pod mikroskopem elektronowym. Zabawa trwała rok i w 2003 r. Geim i Novoselov wyodrębnili z grafitu pojedynczą warstwę atomów węgla – grafen. Wyniki pracy opublikowali w 2004 roku, a w 2010 roku otrzymali nagrodę Nobla.

Polscy naukowcy również dokonali niezwykłych odkryć w badaniach nad grafenem, niemalże ocierając się o nagrodę Nobla. W Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie opracowano nowatorską technologię wytwarzania grafenu epitaksjalnego poprzez osadzanie atomów węgla, w warstwie o grubości jednego atomu C, na podłożu węglika krzemu (SiC). Opatentowana metoda została wdrożona do produkcji, co predestynuje Polskę do miana kraju „doliny grafenowej”. Największe zasługi w badaniach nad otrzymywaniem grafenu epitaksjalnego miał Włodzimierz Strupiński, a w zakresie produkcji grafenu metodami chemicznymi – Ludwika Lipińska.

Niezwykłe właściwości grafenu wynikają z jego budowy. Grafen jest strukturą dwuwymiarową, ponieważ zbudowany jest z pojedynczej warstwy atomów węgla. Atomy te wykazują hybrydyzację sp2, co w konsekwencji oznacza, że atomy węgla w płaszczyźnie grafenu tworzą niezwykle silne wiązania (o długości 0,142 nm), podobnie jak w diamencie. Jednak w diamencie występuje hybrydyzacja sp3. Wszystkie cztery elektrony węgla są zaangażowane w wiązanie węgiel-wegiel, w grafenie tylko trzy elektrony tworzą wiązanie wegiel-węgiel, czwarty elektron tworzy wiązanie π, a w płatku grafenu „wystaje” na zewnątrz. Elektrony te są zdelokalizowane, czyli należą do wszystkich atomów węgla (podobnie jak w metalu), tworząc chmurę elektronów otaczającą z obu stron płaszczyznę grafenu. Materiał ten, z punktu widzenia elektronicznego, jest półmetalem lub też półprzewodnikiem o zerowej strefie wzbronionej, tzw. zero-gap. Oznacza to, że jest on idealnym niemal przewodnikiem prądu. Budowa fizyko-chemiczna grafenu nadaje mu unikalne właściwości, zatem grafen: jest niemal zupełnie przezroczysty, pochłania ok. 2% światła; wykazuje minimalny opór elektryczny; jest doskonałym przewodnikiem ciepła, około 10 razy lepszym od miedzi czy srebra; jest około 100 razy bardziej sprężysty niż stal; jest rozciągliwy (do 25%); nieprzepuszczalny dla większości atomów, nawet dla helu; ma dużą pojemność sorpcyjną gazów; jest odporny chemicznie na działanie wody i rozpuszczalników organicznych. Wykazuje niezwykle wysoką ruchliwość elektronów (μ ≈ 200 000 cm²/Vs, a dla porównania w przypadku krzemu wynosi ona 1500 cm²/Vs); charakteryzuje się niezwykle dużą prędkością przepływu elektronów, wynoszącą 1/300 prędkości światła.

Niezwykłe fizyko-chemiczne i elektroniczne właściwości grafenu sprawiły, że zaczęto badać również jego właściwości biologiczne. Fascynujące dla naukowców było powinowactwo grafenu do struktur biologicznych poprzez jego węglową budowę. Węgiel wydaje się być jednym z najbardziej biozgodnych pierwiastków dla żywych organizmów. Poza tym grafen, jako materiał supercienki, superwytrzymały, przezroczysty i odporny chemicznie wydaje się bardzo dobrym materiałem do produkcji wszelkiego rodzaju implantów, podłoży do hodowli sztucznych tkanek czy biosensorów.

Obecnie rozważać można różne formy grafenu jako potencjalne obiekty badań, a mianowicie:

Badania nad biologicznym zastosowaniem grafenu są stosunkowo nieliczne, sięgają ostatnich kilku lat i w większości koncentrują się na zagadnieniach mikrobiologii, medycyny regeneracyjnej i onkologii oraz potencjalnej toksyczności.

Antymikrobiologiczne właściwości grafenu

W jednych z pierwszych badań stwierdzono, że tlenek grafenu, a także grafen zredukowany i naturalny oddziałują toksycznie na bakterie gram ujemne, jak Escherichia coli, i gram dodatnie, jak Staphyloccoccus aureus, poprzez zniszczenie ściany komórkowej. Kolejne badania jednak wykazały wręcz przeciwny efekt, wskazując na promikrobiologiczne właściwości grafenu, który aktywizował produkcję biofilmu i rozwój Escherichii coli. W kilku kolejnych eksperymentach również wyniki były zmienne i w chwili obecnej sprawa antymikrobiologicznego oddziaływania grafenu jest dyskusyjna i z pewnością zależy od rodzaju grafenu, wielkości jego płatków, a także od sposobu prowadzenia badań biologicznych.

W eksperymentach autorów, prowadzonych w ramach współpracy z Centrum Analitycznym SGGW, wykazano antymikrobiologiczne działanie grafenu naturalnego w stosunku do bakterii Salmonella Enteritidis i Listeria monocytogenes. Jakkolwiek najbardziej interesujący okazał się nie tyle sam efekt działania, ile sposób oddziaływania grafenu na bakterie. Obserwacja z zastosowaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej wykazała, że płatki grafenu są niezwykle atrakcyjnym obiektem dla bakterii, działając na nie niemalże jak magnes. Bakterie, lokując się na arkuszach grafenu, a zwłaszcza na jego obrzeżach, zostają tam unieruchomione i prawdopodobnie w ten sposób, niezdolne do życia, giną. Obecnie badania zespołu w SGGW koncentrują się na wykorzystaniu grafenu jako rodzaju „klatki” bakteryjnej, która wpuszczona do organizmu gospodarza (zwierzęcia lub człowieka) będzie indukowała mechanizmy odporności poprzez kontakt gospodarza ze ścianą komórkową bakterii, jednak w bezpieczny dla organizmu człowieka czy zwierzęcia sposób (bakteria przytwierdzona jest trwale do grafenu).

Wiele badań nad biologicznym zastosowaniem grafenu poświęcono eksperymentom związanym z antynowotworowym działaniem grafenu lub kompleksów zawierających grafen. Specyficzne właściwości grafenu, a zwłaszcza fakt, że jest on przepuszczalny dla wody, a nieprzepuszczalny dla większości związków chemicznych, także gazów, zainspirowały zespół SGGW do zastosowania grafenu jako czynnika, który działałby destrukcyjnie na komórki nowotworowe. Nieliczne badania przeprowadzone przez innych badaczy wskazywały, że jakkolwiek grafen, jak większość istniejących związków, na pewnym poziomie jest toksyczny, niemniej szkodliwy wpływ na komórki badanych makrofagów wykazywały duże płatki grafenu, natomiast małe płatki były „zjadane” przez komórki makrofagów, prowokując programowaną śmierć komórki, zwaną apoptozą. Apoptoza w przeciwieństwie do nekrozy jest bardzo pożądanym mechanizmem wykorzystywanym w terapii antynowotworowej. Co więcej, wstępne badania wykazały względną biozgodność grafenu w badaniach na komórkach krwi. Biorąc więc pod uwagę stosunkowo małą toksyczność, wynikającą prawdopodobnie z węglowej budowy, możliwość indukowania apoptozy i niewielką zdolność do samodzielnego przemieszczania się w organizmie, rozważono zastosowanie płatków grafemu jako czynnika antynowotworowego. Co jednak najbardziej istotne, grafen, działając lokalnie, nie byłby toksyczny dla zdrowych komórek gospodarza.

Pierwsze badania przeprowadzone przez zespół SGGW dotyczyły obserwacji wzajemnego współdziałania komórek nowotworowych i różnych form grafenu. Badania prowadzono na różnych liniach komórek guza mózgu – glejaka wielopostaciowego. Płatki grafenu po wprowadzeniu do hodowanych komórek niezwłocznie przylegały do ciała komórek nowotworowych, „przyklejając się” do nich bardzo szczelnie i trwale. Jednak w zależności od linii glejaka – czyli de facto od genotypu człowieka, od którego pochodziły komórki nowotworowe – grafen w różnym stopniu naruszał ciągłość błony komórkowej. W konsekwencji aktywował proces apoptozy w komórkach o mniej zniszczonej błonie komórkowej, natomiast obok apoptozy wywoływał również reakcję nekrozy w komórkach o bardziej zniszczonej błonie komórkowej. Ta obserwacja utwierdziła autorów w przekonaniu, że grafen i jego formy mogłyby mieć zastosowanie w terapii antynowotworowej. Co więcej, potwierdziła tezę, że leczenie powinno być personalizowane – dopasowane do genotypu człowieka. Wyniki badań zostały również potwierdzone na poziomie analizy transkryptomicznej RNA metodą mikromacierzy, która potwierdziła, że grafen aktywuje mitochondrialne ścieżki apoptozy oraz może wykazywać właściwości antynowotworowe.

Badania na liniach komórkowych były jednak eksperymentami wstępnymi, które wskazały pewne mechanizmy i zainspirowały autorów do badań na rzeczywistych guzach nowotworowych. Guzy te hodowane były z komórek ludzkiego glejaka na błonie kosmówkowo-omoczniowej rozwijającego się zarodka kury. Zastosowano różne formy grafenu, a mianowicie grafen naturalny, tlenek grafenu i zredukowany tlenek grafenu. Te dwie formy grafenu różnią się od siebie diametralnie, ponieważ tlenek grafenu, mając na powierzchni związane atomy tlenu, jest hydrofilny, a grafen naturalny (powstały przez defoliację grafitu) i zredukowany tlenek grafenu są zdecydowanie hydrofobowe. Według kilku innych autorów tlenek grafenu jest mniej toksyczny, bardziej biozgodny, a przez niektórych uważany wręcz za neutralny.

Badania przeprowadzone na guzach glejaka wykazały zmniejszenie masy i wielkości guzów po zastosowaniu grafenu. Co więcej zaobserwowano, że grafen „wchodzi do komórki” i w zależności od formy grafenu, jego wielkości i rodzaju komórki zachowuje się w inny sposób. Tlenek grafenu, który wydawał się formą „przyjazną”, stanowił rodzaj zapory, która ulokowana w różnych miejscach tkanki guza zaburzała bardzo istotnie migrację wody. Większe płatki grafenu były „marszczone” i spychane w określone miejsce w komórce, inne były utylizowane w strukturach mielinowych czy wakuolach. Tkanka guza, obserwowana z zastosowaniem mikroskopu elektronowego, wyglądała jak po „wielkiej bitwie”, w której na pozór delikatne płatki grafenowe zaburzyły diametralnie istniejący porządek architektury tkanki. Analiza ekspresji genów na poziomie mRNA i białka bez wątpienia wskazała na mechanizmy apoptotycznej śmierci komórki.

Obserwacje dystrybucji grafenu w tkance potwierdziły przewidywania, że grafen dość stabilnie lokalizował się w guzie, nie wykazując tendencji do migracji, podobnie jak to miało miejsce w doświadczeniach na komórkach, kiedy grafen, przytwierdzony do ciała komórki jak do okrętu, przemieszczał się razem z komórką. Te wyniki nasunęły kolejny pomysł potraktowania grafenu jako platformy, która nie tylko zainicjuje apoptozę komórek guza, lecz również pomoże przetransportować dodatkowy czynnik o działaniu genotoksycznym w stosunku do komórek nowotworowych. Zatem do płatków grafenu udało się przytwierdzić nanocząstki platyny, które wykazują silne właściwości antynowotworowe. Tak skonstruowany wehikuł (drug delivery system) pozwolił na zwielokrotnienie działania toksycznego uzyskanego kompleksu, a równocześnie ograniczył jego działanie antynowotworowe tylko do tkanki guza. Badania te stały się tematem zgłoszenia patentowego zespołu SGGW.

Obiecujące wyniki badań wywołały jednak fundamentalne pytanie, czy podanie grafenu inną niż w okolice guza drogą wywoła podobne, toksyczne reakcje w zdrowych komórkach. Kolejne zatem doświadczenia prowadzone były na różnych modelach biologicznych i z zastosowaniem różnych technik podawania grafenu. Zbadano embriotoksyczność grafenu, co wskazało na względną oporność organizmu zarodka na toksyczne działanie grafenu. Również próby podawania grafenu do mózgu nie wywołały widocznych skutków. Co więcej, okazało się, że grafen „wypychany” był na obrzeża mózgu i w pewien sposób neutralizowany w kontakcie z jego oponami. Dlaczego więc podawany w okolice guza grafen wykazywał tak dużą toksyczność, a podawany do zdrowego organizmu nie wywoływał znaczącej szkody? Czyżby komórka nowotworowa wykazywała większy apetyt na węgiel? Wiele pytań pozostaje na razie bez odpowiedzi, jednak jeśli grafen choć w niewielkim stopniu mógłby przynieść postęp w leczeniu nowotworów, warto kontynuować badania nad jego biologicznymi właściwościami.