グラフェンの安全性に関する考慮事項：カーボンナノチューブから学んだ教訓

多くの人は、カーボンナノ材料をナノテクノロジーのポスターの子供たちと考えており、多くの分野から計り知れない科学的関心を集め、並外れた特性により多様なアプリケーションで大きな可能性を提供しています。グラフェンは、カーボンナノ材料の家族で最年少です。その分離、記述、および質量製造は、フラーレンと炭素ナノチューブの分離に従っています。グラフェンの発達と多くの産業による採用は、意図しないまたは意図的な人間への曝露を増加させ、その安全プロファイルを決定する必要性を生み出します。このアカウントでは、カーボンナノチューブの開発から学んだ教訓と、私たち自身の調査や他の調査に基づいて、グラフェンについて知られていることを比較します。どちらも炭素ベースであるにもかかわらず、ナノチューブとグラフェンは2つの非常に異なるナノ材料です。グラフェンおよびカーボンナノチューブの主要な物理化学的特性（構造、表面、コロイド特性）を、細胞、組織、および全身の3つの異なる生理学的レベルで考慮します。3つのレベルすべてで両方の材料の健康への影響に関する証拠を要約します。全体として、グラフェンとその誘導体は、カーボンナノチューブと比較して、ほとんどの溶媒でのアスペクト比が低く、表面積が大きく、より良い分散性によって特徴付けられます。寸法、表面化学、および不純物は、メカニズム（凝集、細胞プロセス、生体分布、および分解動力学）と毒物学的転帰の両方を決定する際に、グラフェンとカーボンナノチューブにとって等しく重要です。個々のグラフェンシート（または酸化グラフェンおよびその他の誘導体）のコロイド分散は、金属の不純物なしで簡単に設計でき、安定性が高く、凝集が少なくなります。非常に重要なことは、グラフェンナノ構造が繊維型ではないことです。これらの特徴は、繊維型のカーボンナノチューブの不均一な分散液よりも安全性の点で理論的に大きな利点を提供します。ただし、グラフェンとカーボンナノチューブを直接比較する研究はまれであり、全体的な安全性とリスク評価の比較的考慮事項が困難です。このアカウントでは、グラフェンとその誘導体の開発に関する一連のルールを提供して、全体的な安全性を高め、暴露による人間の副作用のリスクを最小限に抑えます。これらの規則は次のとおりです。（1）体内のマクロファージが効率的に内在化して堆積部位から除去できる小さな個別のグラフェンシートを使用する。（2）in vivoでの凝集を最小限に抑えるために、グラフェンシートの親水性、安定したコロイド分散を使用する。（3）効果的に分解できる排泄可能なグラフェン材料または化学的に修飾されたグラフェンを使用する。このような規則は、グラフェンベースの技術の開発におけるこの初期段階でのガイドラインとしてのみ機能しますが、それらは、人体と接触するグラフェン材料の製造と安全な使用のための一連の設計原則を提供します。より広い文脈では、グラフェン材料に関連する安全性のリスクは、特定の種類のグラフェン材料とそれらの調査または適用方法に完全に依存します。したがって、「グラフェン」全体の毒性に関する一般化は不正確であり、おそらく誤解を招く可能性があり、避けるべきです。

Many consider carbon nanomaterials the poster children of nanotechnology, attracting immense scientific interest from many disciplines and offering tremendous potential in a diverse range of applications due to their extraordinary properties. Graphene is the youngest in the family of carbon nanomaterials. Its isolation, description, and mass fabrication has followed that of fullerenes and carbon nanotubes. Graphene's development and its adoption by many industries will increase unintended or intentional human exposure, creating the need to determine its safety profile. In this Account, we compare the lessons learned from the development of carbon nanotubes with what is known about graphene, based on our own investigations and those of others. Despite both being carbon-based, nanotubes and graphene are two very distinct nanomaterials. We consider the key physicochemical characteristics (structure, surface, colloidal properties) for graphene and carbon nanotubes at three different physiological levels: cellular, tissue, and whole body. We summarize the evidence for health effects of both materials at all three levels. Overall, graphene and its derivatives are characterized by a lower aspect ratio, larger surface area, and better dispersibility in most solvents compared to carbon nanotubes. Dimensions, surface chemistry, and impurities are equally important for graphene and carbon nanotubes in determining both mechanistic (aggregation, cellular processes, biodistribution, and degradation kinetics) and toxicological outcomes. Colloidal dispersions of individual graphene sheets (or graphene oxide and other derivatives) can easily be engineered without metallic impurities, with high stability and less aggregation. Very importantly, graphene nanostructures are not fiber-shaped. These features theoretically offer significant advantages in terms of safety over inhomogeneous dispersions of fiber-shaped carbon nanotubes. However, studies that directly compare graphene with carbon nanotubes are rare, making comparative considerations of their overall safety and risk assessment challenging. In this Account, we attempt to offer a set of rules for the development of graphene and its derivatives to enhance their overall safety and minimize the risks for adverse reactions in humans from exposure. These rules are: (1) to use small, individual graphene sheets that macrophages in the body can efficiently internalize and remove from the site of deposition; (2) to use hydrophilic, stable, colloidal dispersions of graphene sheets to minimize aggregation in vivo; and (3) to use excretable graphene material or chemically-modified graphene that can be degraded effectively. Such rules can only act as guidelines at this early stage in the development of graphene-based technologies, yet they offer a set of design principles for the fabrication and safe use of graphene material that will come in contact with the human body. In a broader context, the safety risks associated with graphene materials will be entirely dependent on the specific types of graphene materials and how they are investigated or applied. Therefore, generalizations about the toxicity of "graphene" as a whole will be inaccurate, possibly misleading, and should be avoided.