Graphene-based Materials in Health and Environment: New Paradigms

358 Pages·2016·10.504 MB·English

by  Gil Gonçalves, Paula Marques, Mercedes Vila (eds.)

Carbon Nanostructures
Gil Gonçalves
Paula Marques
Mercedes Vila E ditors
Graphene-
based Materials
in Health and
Environment
New Paradigms
Carbon Nanostructures
Series editor
Paulo Araujo, Tuscaloosa, AL, USA
Editorial board
Antonio Gomes Sousa Filho, Fortaleza, Brazil
Stephen K. Doorn, Los Alamos, NM, USA
Aaron D. Franklin, Durham, NC, USA
Achim Hartschuh, München, Germany
More information about this series at http://www.springer.com/series/8633
ç
Gil Gon alves Paula Marques
(cid:129)
Mercedes Vila
Editors
Graphene-based Materials
in Health and Environment
New Paradigms
123
Editors
Gil Gonçalves Mercedes Vila
Nanoengineering Research Division, Nanoengineering Research Division,
Departmentof MechanicalEngineering Departmentof MechanicalEngineering
Centrefor Mechanical Technology Centrefor Mechanical Technology
andAutomation andAutomation
University ofAveiro University ofAveiro
Aveiro Aveiro
Portugal Portugal
PaulaMarques
Nanoengineering Research Division,
Departmentof MechanicalEngineering
Centrefor Mechanical Technology
andAutomation
University ofAveiro
Aveiro
Portugal
ISSN 2191-3005 ISSN 2191-3013 (electronic)
Carbon Nanostructures
ISBN978-3-319-45637-9 ISBN978-3-319-45639-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-319-45639-3
LibraryofCongressControlNumber:2016949578
©SpringerInternationalPublishingSwitzerland2016
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ThisSpringerimprintispublishedbySpringerNature
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Theregisteredcompanyaddressis:Gewerbestrasse11,6330Cham,Switzerland
Contents
Part I Medicine: Nanomedicine
Potential and Challenges of Graphene in Medicine .... .... ..... .... 3
Marta Skoda, Ilona Dudek and Dariusz Szukiewicz
1 Introduction .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 4
1.1 Graphene Nanomaterials Biocompatibility . .... .... ..... .... 5
2 Graphene Nanoplatforms for Drug Delivery. .... .... .... ..... .... 8
3 Graphene Nanoplatforms for Gene Delivery. .... .... .... ..... .... 14
4 Graphene-Based Materials for Photothermal
and Photodynamic Therapy ..... .... .... .... .... .... ..... .... 17
4.1 Photothermal Therapy (PTT) ... .... .... .... .... ..... .... 17
4.2 Photodynamic Therapy (PDT) .. .... .... .... .... ..... .... 18
5 Graphene Nanostructured Materials for Bioimaging... .... ..... .... 20
6 Graphene-Based Templates for Tissue Engineering ... .... ..... .... 22
7 Conclusions .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 25
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 26
Graphene-Based Materials in Biosensing, Bioimaging,
and Therapeutics... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 35
Sivaramapanicker Sreejith, Hrishikesh Joshi and Yanli Zhao
1 Introduction .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 36
2 Graphene .. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 37
2.1 Graphene Nanocomposites . .... .... .... .... .... ..... .... 39
2.2 Graphene Quantum Dots... .... .... .... .... .... ..... .... 40
2.3 Graphene-Wrapped Hybrids .... .... .... .... .... ..... .... 42
3 Biosensing . .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 42
4 Bioimaging. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 48
5 Therapeutics.... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 51
6 Conclusion and Future Prospects . .... .... .... .... .... ..... .... 55
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 56
v
vi Contents
Part II Medicine: Biosensors
Hybrid Graphene Metallic Nanoparticles for Biodetection .. ..... .... 65
Manos Gkikas
1 Introduction .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 65
2 Detection of Graphene/Metal Hybrids Using Surface-Enhanced
Raman Spectroscopy (SERS).... .... .... .... .... .... ..... .... 66
3 Graphene/Metal Hybrids as Novel Biosensors
(Enzymatic and Non-enzymatic).. .... .... .... .... .... ..... .... 75
3.1 Nonenzymatic Glucose Sensors . .... .... .... .... ..... .... 77
3.2 Enzymatic Glucose Sensors .... .... .... .... .... ..... .... 79
3.3 Uric Acid, Ascorbic Acid, and Dopamine Sensors... ..... .... 81
3.4 Biosensing Other Analytes . .... .... .... .... .... ..... .... 86
4 Photoluminescent/Fluorescent Graphene/Metal Hybrids
for Bioimaging.. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 87
5 Other Biodetection Applications of Graphene/Metal Hybrids..... .... 95
6 Conclusion and Outlook... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 97
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 97
Part III Medicine: Tissue Engineering
Stem Cells Commitment on Graphene-Based Scaffolds . .... ..... .... 103
Maurizio Buggio, Marco Tatullo, Stefano Sivolella, Chiara Gardin,
Letizia Ferroni, Eitan Mijiritsky, Adriano Piattelli and Barbara Zavan
1 Tissue Engineering... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 104
2 Stem Cells . .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 106
2.1 Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) . .... .... .... ..... .... 107
2.2 Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) ... .... .... ..... .... 108
2.3 Neural Stem Cells (NSCs) . .... .... .... .... .... ..... .... 110
3 Graphene and Osteogenic Differentiation... .... .... .... ..... .... 111
4 Cartilage Regeneration.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 116
5 Graphene and Myoblast Differentiation .... .... .... .... ..... .... 117
6 Neuronal Differentiation... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 119
7 Skin Regeneration ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 121
8 Cardiomyogenic Differentiation .. .... .... .... .... .... ..... .... 124
9 Discussion . .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 126
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 127
Graphene: An Emerging Carbon Nanomaterial for Bone
Tissue Engineering . .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 135
Nileshkumar Dubey, Fanny Esther Denise Decroix and Vinicius Rosa
1 Introduction .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 135
2 Graphene and Its Derivatives for Osteogenesis... .... .... ..... .... 137
3 Graphene and Derivatives: Composites for Bone
Tissue Engineering... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 139
Contents vii
4 Graphene as Implant Coating Material to Enhance
Osteogenic Differentiation . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 147
5 Conclusion. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 149
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 154
Potentiality of Graphene-Based Materials for Neural Repair ..... .... 159
María Teresa Portolés and María Concepción Serrano
1 Introduction .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 161
2 Lesions in the Central Nervous System .... .... .... .... ..... .... 162
3 Lesions in Peripheral Nerves .... .... .... .... .... .... ..... .... 162
4 Tissue Engineering Criteria Applied to Neural Substitutes.. ..... .... 164
5 In Vitro Studies with Graphene-Based Materials for Neural Repair.... 165
5.1 Primary Neural Cells and Neural Cell Lines.... .... ..... .... 166
5.2 Stem and Progenitor Cells . .... .... .... .... .... ..... .... 168
5.3 Other Types of Neural Cells.... .... .... .... .... ..... .... 175
6 In Vivo Studies with Graphene-Based Materials for Neural Repair .... 177
7 Graphene-Based Materials for Neural Stimulation and Recording . .... 178
8 Other Uses of Graphene-Based Materials in Neural Scenarios.... .... 181
9 Final Discussion and Future Perspectives... .... .... .... ..... .... 183
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 184
Graphene-Based Smart Nanomaterials: Novel Opportunities
for Biology and Neuroengineering.. .... .... .... .... .... ..... .... 191
Antonina M. Monaco and Michele Giugliano
1 Toxicity ... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 192
2 Biomedical Applications... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 195
2.1 Delivery Systems ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 196
2.2 Bioimaging.... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 197
2.3 Biosensors. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 199
2.4 Substrates, Scaffolds and Tissue Engineering ... .... ..... .... 199
3 Graphene in the Neurosciences .. .... .... .... .... .... ..... .... 200
3.1 Graphene for Extracellular Stimulations and Recordings
of Neuronal Activity: MEAs and FETs.... .... .... ..... .... 200
3.2 Graphene and Neuronal Growth: Neural Stem Cells.. ..... .... 203
3.3 Graphene and Neuronal Growth: Primary Neuronal Cultures .... 206
4 Conclusions .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 212
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 212
Stimulus Responsive Graphene Scaffolds for Tissue Engineering .. .... 219
Sofia S. Almeida, André F. Girão, Gil Gonçalves, António Completo
and P.A.A.P. Marques
1 Introduction .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 219
2 Graphene Substrates as Platforms for Directing Cellular
Differentiation: From 2D to 3D .. .... .... .... .... .... ..... .... 221
3 Graphene-Based Stimulus Responsive Scaffolds.. .... .... ..... .... 225
3.1 Electrical Stimulation ..... .... .... .... .... .... ..... .... 227
viii Contents
3.2 Optical Stimulation.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 236
3.3 Mechanical Stimulation.... .... .... .... .... .... ..... .... 241
3.4 Chemical Stimulation ..... .... .... .... .... .... ..... .... 242
3.5 Topographical Stimulation . .... .... .... .... .... ..... .... 244
4 Conclusion. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 249
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 249
Part IV Environment
Graphene Hybrid Architectures for Chemical Sensors . .... ..... .... 259
Parikshit Sahatiya and Sushmee Badhulika
1 Introduction .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 259
2 Functionalized Graphene Materials.... .... .... .... .... ..... .... 261
3 Graphene–Metal Nanoparticle Hybrid . .... .... .... .... ..... .... 264
4 Graphene–Metal Oxide Hybrid... .... .... .... .... .... ..... .... 268
5 Graphene-Conducting Polymer Hybrids.... .... .... .... ..... .... 271
6 Graphene–Carbon Nanomaterials Hybrids .. .... .... .... ..... .... 273
7 Application of Graphene Hybrids in Chemical Sensors .... ..... .... 274
7.1 Gas and Vapor Sensors.... .... .... .... .... .... ..... .... 274
7.2 Electrochemical Sensors ... .... .... .... .... .... ..... .... 276
7.3 Biosensors. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 279
8 Conclusion and Outlook... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 280
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 281
Antimicrobial Properties of Graphene Nanomaterials:
Mechanisms and Applications ..... .... .... .... .... .... ..... .... 287
Adel Soroush, Douglas Rice, Md Saifur Rahaman
and François Perreault
1 Introduction .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 288
1.1 Interactions of Graphene Nanomaterials with Bacterial Systems.... 290
1.2 Graphene-Based Antimicrobial Nanocomposites. .... ..... .... 295
1.3 In Situ Formation of Graphene-Based Nanocomposites .... .... 302
1.4 Antimicrobial Surface Design Using Graphene-Based Materials.... 305
1.5 Antimicrobial Textiles..... .... .... .... .... .... ..... .... 305
1.6 Conclusion and Outlook... .... .... .... .... .... ..... .... 313
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 314
Toxicity and Environmental Applications of Graphene-Based
Nanomaterials. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 323
Enrico Tapire Nadres, Jingjing Fan and Debora Frigi Rodrigues
1 Introduction to Graphene-Based Nanoparticles (GNPs) .... ..... .... 324
2 Antimicrobial Properties of GNPs .... .... .... .... .... ..... .... 324
2.1 Graphene . .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 325
2.2 Graphene Oxide .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 326
2.3 Reduced Graphene Oxide.. .... .... .... .... .... ..... .... 327
2.4 Graphene-Based Composites.... .... .... .... .... ..... .... 328
Contents ix
3 Mechanisms of Antimicrobial Activity. .... .... .... .... ..... .... 333
3.1 Physical Mechanisms of Antimicrobial Activity. .... ..... .... 333
3.2 Chemical Mechanisms of Antimicrobial Toxicity.... ..... .... 335
4 Environmental Applications of GNPs.. .... .... .... .... ..... .... 339
4.1 Removal of Microorganisms by GNPs.... .... .... ..... .... 339
4.2 Removal of Organic Contaminants by Adsorption
and Photodegradation ..... .... .... .... .... .... ..... .... 341
4.3 Removal of Cationic Heavy Metal Contaminants.... ..... .... 344
4.4 Graphene-Based Nanomaterials as Antioxidant and Coatings.... 346
5 Potential Environmental Impacts of GNPs.. .... .... .... ..... .... 347
6 Conclusions .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 349
References .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 349