Studi pada Manusia Menilai Efek Akut Grafena Oksida terhadap Kesehatan

Grafena merupakan lembaran karbon setebal satu atom dengan susunan heksagonal. Material ini dapat diperoleh dari grafit, salah satu bentuk karbon yang juga digunakan dalam isi pensil. Grafena adalah bentuk material karbon, sedangkan unsur penyusunnya adalah karbon.

Grafena lapis tunggal sangat tipis, lentur dan kuat. Kekuatan tarik intrinsiknya sering dibandingkan dengan baja, tetapi kinerja bahan jadi bergantung pada cacat, ukuran lembaran dan cara pengolahannya. Ketebalan satu lapisnya sekitar 0,34 nanometer.

Grafena memiliki konduktivitas listrik dan termal yang tinggi serta menyerap sebagian kecil cahaya tampak per lapis. Perbandingan berat dengan aluminium atau baja perlu mempertimbangkan bentuk dan volume material, sehingga tidak dapat diberlakukan begitu saja pada lembaran dua dimensi.

Dalam elektronik dan penyimpanan energi, grafena diteliti sebagai bahan elektroda, aditif dan penyebar panas. Manfaat terhadap masa pakai baterai, kecepatan pengisian atau bobot baterai drone bergantung pada rancangan perangkat.

Fleksibilitas dan transparansinya membuat grafena menarik untuk elektroda transparan, layar lentur dan perangkat optoelektronik. Kemampuan menyerap cahaya saja tidak menentukan kesesuaiannya untuk semua layar atau pencahayaan. 

Dalam konstruksi, bahan tambahan berbasis grafena diteliti untuk memperbaiki sifat komposit dan pelapis, termasuk ketahanan mekanis dan terhadap kelembapan. Di bidang energi dan kesehatan, riset mencakup perangkat konversi energi, sensor, membran dan rekayasa jaringan. Potensi ini perlu dibuktikan untuk setiap aplikasi.

Aplikasi potensial lainnya mencakup transistor, antena, cip, superkapasitor, pengurutan DNA, penyaringan air dan sel surya. 

Sifat-sifat tersebut mendorong peneliti dan perusahaan di berbagai negara untuk menguji material berbasis grafena.

Pada Februari 2024, sebuah  penelitian  oleh fisikawan MIT melaporkan efek Hall anomali kuantum fraksional pada struktur grafena lima lapis. Keadaan elektronik ini menarik bagi riset komputasi kuantum yang tahan gangguan, tetapi belum merupakan komputer kuantum yang siap digunakan. 

Efek Hall kuantum fraksional biasanya dikaji dalam medan magnet kuat. Dalam penelitian ini, struktur grafena-hBN menunjukkan keadaan fraksional tanpa medan magnet eksternal. Temuan tersebut membuka peluang untuk mempelajari keadaan kuantum dan kemungkinan penerapannya.

Dalam penelitian lain, para peneliti mengungkapkan metode baru untuk menyintesis grafena oksida (GO), yang dapat didispersikan dalam pelarut. Pendekatan tersebut menggabungkan campuran asam dari metode Hummers termodifikasi dengan oksidator klorat yang digunakan dalam metode Brodie untuk menghasilkan material dengan karakteristik yang berbeda.

Adopsi grafena berbeda-beda menurut aplikasinya. Konsistensi mutu, skala produksi, biaya dan penilaian keselamatan masih menjadi tantangan penting. Satu studi keselamatan tidak dapat menjawab semua pertanyaan tentang beragam bentuk material ini. 

Klik di sini untuk mengetahui apakah semikonduktor graphene benar-benar sudah ada.

Uji pada manusia menilai efek akut inhalasi grafena oksida

Andre Geim dan Konstantin Novoselov mengisolasi serta mengkarakterisasi grafena pada 2004. Keduanya menerima Nobel Fisika 2010 atas eksperimen mengenai material dua dimensi ini. Penelitian kesehatan mencakup sensor dan perangkat, selain berbagai pendekatan terapi yang masih dikembangkan.

Sebelum material digunakan dalam aplikasi medis, manfaat dan risikonya harus dinilai. Sebuah penelitian  pada relawan sehat menguji respons akut terhadap inhalasi grafena oksida yang sangat murni. Hasilnya berlaku untuk bahan, dosis dan kondisi penelitian tersebut. 

Uji paparan terkontrol ini menggunakan nanosheet grafena oksida (GO) tipis dan sangat murni yang dapat didispersikan dalam air. 

Grafena lapis tunggal memiliki kisi karbon dua dimensi. GO memiliki gugus yang mengandung oksigen sehingga sifatnya berbeda dari grafena murni, termasuk kemampuannya terdispersi dalam air. Luas permukaan dan kemudahan fungsionalisasinya menarik untuk riset biomedis serta membran, tetapi biokompatibilitasnya bergantung pada karakteristik material dan paparan.

Tim melakukan uji acak, tersamar ganda dengan paparan silang untuk mengevaluasi efek akut pada fungsi paru dan kardiovaskular. Penelitian ini merupakan bagian dari penilaian risiko nanomaterial, bukan pengujian terapi medis.

GO dibuat dengan metode Hummers termodifikasi dan dikarakterisasi untuk meminimalkan kontaminasi logam serta endotoksin. Penelitian membandingkan nanosheet berdimensi lateral kecil (s-GO) dan sangat kecil (us-GO). Dimensi lateral tidak sama dengan ketebalan lembarannya. 

Sebanyak 14 relawan muda dan sehat mengikuti kunjungan berulang untuk menghirup udara tersaring atau aerosol GO. Paparan berlangsung dua jam melalui masker dalam ruang khusus, dengan aktivitas bersepeda terkontrol. Kunjungan dipisahkan dengan jeda beberapa minggu.

Konsentrasi target aerosol GO adalah 200 μg/m³. Konsentrasi yang terukur untuk s-GO adalah 214 ± 23 μg/m³ dan us-GO 224 ± 17 μg/m³ selama paparan dua jam.

Mengukur respons biologis terhadap nanomaterial

Peneliti menilai fungsi paru, tekanan darah, pembekuan dan penanda inflamasi sebelum serta setelah paparan, dengan tindak lanjut akut hingga enam jam.

Tidak ditemukan perubahan nyata pada fungsi paru atau tekanan darah dalam kondisi penelitian. Namun, peningkatan kecil pembentukan trombus ditemukan dalam model cedera arteri di luar tubuh, sehingga hasilnya tidak berarti bahwa semua efek biologis tidak ada.

Analisis proteomik menunjukkan hanya sedikit perubahan protein plasma. Peningkatan pembentukan trombus pada model eks vivo perlu ditafsirkan bersama ukuran sampel dan keterbatasan penelitian.

Kostas Kostarelos, yang berafiliasi dengan University of Manchester dan ICN2 di Barcelona, menekankan bahwa penilaian keselamatan memungkinkan pengembangan material secara lebih terkendali. Ia mengatakan:

“Kami telah menghabiskan lebih dari sepuluh tahun untuk mengembangkan pengetahuan guna melakukan penelitian ini, baik dari sudut pandang ilmu material dan biologi, maupun dari kapasitas klinis untuk melaksanakan studi terkontrol seperti ini secara aman.”

Penelitian dilakukan oleh tim dari University of Edinburgh dan University of Manchester, dengan pendanaan antara lain dari UKRI-EPSRC dan British Heart Foundation. Efek dosis lebih tinggi, bentuk grafena lain dan paparan jangka panjang masih perlu diteliti.

Mark Miller dari Centre for Cardiovascular Science, University of Edinburgh, menekankan pentingnya mengembangkan nanomaterial dengan memperhatikan keselamatan. Penelitian pada manusia dapat membantu memahami efek material dan mendukung pendekatan safe-by-design.

Ukuran sampel yang kecil membatasi kemampuan mendeteksi efek yang halus. Pemilihan parameter juga dipandu oleh pengalaman penelitian sebelumnya pada partikel lain, sehingga tidak mencakup semua kemungkinan respons terhadap GO.

Dosis dipilih agar tidak menimbulkan efek fisiologis yang jelas. Konsentrasi lebih tinggi, durasi lebih lama dan tindak lanjut melampaui enam jam dapat menghasilkan temuan berbeda, termasuk respons inflamasi yang lebih lambat.

Hasilnya mendukung kelayakan melakukan paparan terkontrol GO murni untuk riset penilaian risiko. Hasil tersebut tidak dapat langsung diterapkan pada semua bentuk grafena, orang dengan penyakit tertentu atau paparan berulang dalam jangka panjang.

Penilaian keselamatan juga relevan bagi riset sistem penghantaran obat. Rancangan seperti itu bertujuan membawa zat terapeutik secara terkendali sambil mengurangi efek pada jaringan sehat, tetapi memerlukan pengujian tersendiri.

Studi ini merupakan langkah dalam penilaian risiko grafena dan material dua dimensi lainnya, serta mendukung pengembangan yang mempertimbangkan keselamatan sejak tahap desain.

Perusahaan yang meneliti atau memasok grafena

Material berbasis grafena menarik bagi berbagai industri. Perusahaan teknologi dan manufaktur, termasuk Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) dan 3M, dapat memiliki kepentingan dalam riset material maju. Hal itu tidak berarti semua perusahaan tersebut telah mengomersialkan aplikasi grafena yang sama. Berikut beberapa contoh kegiatan yang lebih spesifik:

#1. Graphenea

Graphenea memasok material dan perangkat berbasis grafena untuk riset serta pengembangan industri. Portofolionya mencakup GO, film grafena hasil chemical vapor deposition (CVD), perangkat graphene field-effect transistor (GFET) dan layanan foundry GFAB. 

Produk sensornya mencakup Graphenea Card dan keluarga mGFET. Perusahaan juga menjadi mitra Graphene Flagship, inisiatif riset Eropa yang diluncurkan dengan rencana pendanaan sekitar €1 miliar selama sepuluh tahun.

#2. Haydale Graphene Industries

Haydale mengembangkan pemrosesan dan fungsionalisasi grafena serta nanomaterial lain. Dalam ringkasan pasar pada awal 2024, kapitalisasi pasarnya sekitar £4,44 juta dan harga sahamnya 0,45 pence di AIM London, turun sekitar 5,26% sejak awal tahun. EPS negatif menunjukkan perusahaan merugi; rasio P/E negatif tidak dapat dipakai seperti P/E perusahaan yang menghasilkan laba.

Untuk tahun buku yang berakhir 30 Juni 2023, pendapatan Haydale naik sekitar 48% menjadi £4,30 juta, sedangkan rugi setelah pajak meningkat dari sekitar £4,81 juta menjadi £6,17 juta. Pada September 2023, perusahaan mengumumkan penghimpunan sekitar £5 juta melalui placing dan subscription pada harga 0,5 pence per saham, disertai penawaran ritel hingga £1 juta.

Haydale bekerja sama dengan PETRONAS Ventures, unit modal ventura PETRONAS, untuk mengembangkan fungsionalisasi grafena bagi aplikasi produk. Tujuannya mendukung penggunaan produk berbasis grafena di berbagai industri.

Pada Desember 2023, Haydale mengumumkan dukungan pendanaan SMART dari Pemerintah Wales untuk pengembangan fluida perpindahan panas berbasis grafena bersama Hydratech.

#3. IBM

IBM telah meneliti penggunaan grafena dalam elektronik frekuensi radio. Pada 2014, timnya melaporkan rangkaian penerima terintegrasi yang menggabungkan penguatan, penyaringan dan pencampuran sinyal, termasuk penerimaan data pada sinyal pembawa 4,3 GHz. Ini merupakan kemajuan pada rangkaian tertentu, bukan bukti bahwa semua cip grafena 10.000 kali lebih cepat daripada cip silikon.

Riset grafena untuk transfer lapisan dan fabrikasi semikonduktor juga berbeda dari pengembangan node silikon di bawah 7 nanometer. Berbagai arah riset nanoelektronik perlu dibedakan menurut material, fungsi dan tahap pengembangannya.

Dalam ringkasan pasar pada awal 2024, kapitalisasi pasar IBM sekitar US$164 miliar dengan harga saham US$181,20, naik sekitar 9,87% sejak awal tahun. Pendapatan 12 bulan terakhir sekitar US$61,86 miliar, EPS 8,03, P/E 22,37, ROE 33,36% dan imbal hasil dividen 3,70%. Angka-angka ini menggambarkan waktu penulisan, bukan data pasar langsung.

Kesimpulan

Grafena memiliki potensi dalam energi, elektronik, konstruksi dan riset biomedis. Studi inhalasi GO ini memberikan informasi tentang respons akut dalam kondisi terbatas; studi tersebut tidak membuktikan bahwa seluruh aplikasi medis grafena aman. Pengembangan produk masih memerlukan mutu yang konsisten, produksi ekonomis dan pengujian yang sesuai.

Sifat grafena membuatnya menarik untuk riset material maju. Keberhasilan komersialnya akan bergantung pada manfaat yang terukur dalam produk tertentu serta kemampuan mengatasi kendala produksi dan keselamatan.

Pelajari lebih lanjut tentang pencetakan 3D berskala nano yang mendekati komersialisasi.