Des chercheurs de Penn State ont développé une méthode permettant de conférer une chiralité au borophène, ce qui le rend potentiellement utile pour les capteurs avancés et les dispositifs médicaux implantables. Cette étude révolutionnaire est la première à explorer les interactions biologiques du borophène. La chiralité permet au borophène d'interagir de manière unique avec les cellules et les protéines, conduisant à des applications potentielles en imagerie médicale et en administration de médicaments. Les résultats de l'étude pourraient éclairer les développements futurs dans les domaines des soins de santé, de l'énergie durable, etc.
Les chercheurs ont modifié le borophène pour interagir de manière unique avec les cellules et autres unités biologiques.
Bouge, graphène. Il existe un nouveau matériau bidimensionnel amélioré dans le laboratoire. Le borophène, la version atomiquement fine du bore synthétisée pour la première fois en 2015, est plus conducteur, plus fin, plus léger, plus résistant et plus flexible que le graphène, la version 2D du carbone. Aujourd’hui, des chercheurs de Penn State ont rendu le matériau potentiellement plus utile en lui conférant une chiralité – ou une maniabilité –, ce qui pourrait permettre de créer des capteurs avancés et des dispositifs médicaux implantables. La chiralité, induite via une méthode jamais utilisée auparavant sur borophènepermet au matériau d'interagir de manière unique avec différentes unités biologiques telles que les cellules et les précurseurs de protéines.
L'équipe, dirigée par Dipanjan Pan, professeur de la chaire Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck en nanomédecine et professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de génie nucléaire, a publié ses travaux – les premiers du genre, ont-ils déclaré – dans ACS Nano.
« Le borophène est un matériau très intéressant, car il ressemble de très près au carbone, notamment en termes de poids atomique et de structure électronique, mais avec des propriétés plus remarquables. Les chercheurs commencent seulement à explorer ses applications », a déclaré Pan. « Au meilleur de nos connaissances, il s'agit de la première étude à comprendre les interactions biologiques du borophène et du premier rapport sur la transmission de chiralité aux structures du borophène. »
Comprendre la chiralité
La chiralité fait référence à une physicalité similaire mais pas identique, comme les mains gauche et droite. Dans les molécules, la chiralité peut faire exister des unités biologiques ou chimiques en deux versions qui ne peuvent pas être parfaitement assorties, comme dans une moufle gauche et droite. Elles peuvent se refléter avec précision, mais une moufle gauche ne s’adaptera jamais aussi bien à la main droite qu’à la main gauche.
Le borophène est structurellement polymorphe, ce qui signifie que ses atomes de bore peuvent être disposés dans différentes configurations pour lui donner différentes formes et propriétés, un peu comme la façon dont le même ensemble de blocs Lego peut être construit dans différentes structures. Cela donne aux chercheurs la possibilité de « régler » le borophène pour lui conférer diverses propriétés, dont la chiralité.
Dipanjan Pan, à gauche, Dorothy Foehr Huck & J. Lloyd Huck Chair Professeur de nanomédecine et professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de génie nucléaire, avec Teresa Aditya, chercheuse postdoctorale en génie nucléaire, et David Skrodzki, assistant de recherche diplômé en science des matériaux et ingénierie, dans le laboratoire de Pan. Tous trois étaient les auteurs de l’étude. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Dipanjan Pan
« Comme ce matériau présente un potentiel remarquable en tant que substrat pour les capteurs implantables, nous voulions en savoir plus sur leur comportement lorsqu'il est exposé aux cellules », a déclaré Pan. « Notre étude, pour la première fois, a montré que diverses structures polymorphes du borophène interagissent différemment avec les cellules et que leurs voies d'internalisation cellulaire sont uniquement dictées par leurs structures. »
Les chercheurs ont synthétisé des plaquettes de borophène – semblables aux fragments cellulaires présents dans le sang – en utilisant la synthèse à l'état de solution, qui consiste à exposer une version en poudre du matériau dans un liquide à un ou plusieurs facteurs externes, tels que la chaleur ou la pression, jusqu'à ce qu'ils se combinent dans le produit désiré.
Méthodologie et résultats
« Nous avons fabriqué le borophène en soumettant les poudres de bore à des ondes sonores à haute énergie, puis nous avons mélangé ces plaquettes avec différents acides aminés dans un liquide pour transmettre la chiralité », a déclaré Pan. « Au cours de ce processus, nous avons remarqué que les atomes de soufre dans les acides aminés préféraient adhérer davantage au borophène que les atomes d'azote des acides aminés. »
Les chercheurs ont découvert que certains acides aminés, comme la cystéine, se lient au borophène à des endroits distincts, en fonction de leur caractère chiral. Les chercheurs ont exposé les plaquettes de borophène chiralisées à des cellules de mammifères dans une boîte et ont observé que leur caractère manuel modifiait la façon dont elles interagissaient avec les membranes cellulaires et pénétraient dans les cellules.
Selon Pan, cette découverte pourrait éclairer des applications futures, telles que le développement d’une imagerie médicale à plus haute résolution avec un contraste qui pourrait suivre avec précision les interactions cellulaires ou une meilleure administration de médicaments avec des interactions matériau-cellule localisées. Selon lui, comprendre comment le matériau interagit avec les cellules – et contrôler ces interactions – pourrait un jour conduire à des dispositifs médicaux implantables plus sûrs et plus efficaces.
« La structure unique du borophène permet un contrôle magnétique et électronique efficace », a déclaré Pan, soulignant que le matériau pourrait avoir des applications supplémentaires dans les soins de santé, l'énergie durable et bien plus encore. « Cette étude n’était qu’un début. Nous avons plusieurs projets en cours pour développer des biocapteurs, des systèmes d’administration de médicaments et des applications d’imagerie pour le borophène.
Outre Pan, les autres auteurs de l'étude comprennent Teresa Aditya, chercheuse postdoctorale en génie nucléaire ; Parikshit Moitra, professeur adjoint de recherche en génie nucléaire à Penn State pendant l'étude et actuel professeur adjoint à l'Institut indien d'enseignement et de recherche scientifiques ; Maha Alafeef, chercheuse scientifique à Penn State pendant l'étude et actuelle professeure adjointe à l'Université jordanienne des sciences et technologies ; et David Skrodzki, assistant de recherche diplômé en science et ingénierie des matériaux à Penn State.
Les Centers for Disease Control and Prevention, la National Science Foundation des États-Unis et le ministère de la Défense ont partiellement soutenu cette recherche.
