石墨烯基材料的抗菌性介绍

超级细菌感染一直是世界上最大的公共卫生问题之一，全球每年超级细菌的感染者有数百万人[1]。目前，为解决这个问题而广泛使用的方法是大量使用抗菌药物。然而，传统抗生素的滥用导致的细菌耐药问题，反过来又使得治疗细菌感染更加困难。为克服此问题，研究人员探索出了打破传统的新型抗菌剂，如碳纳米管[2]、金属纳米颗粒[3]、金属氧化物纳米颗粒[4]等。

近年来，人们发现石墨烯对细菌[5]、真菌[6]具有很强的细胞毒性，对植物病原体[7]具有显著的抑制作用，有可能作为一种新型的抗菌材料。与碳纳米管相比，石墨烯具有低细胞毒性，因而哺乳动物细胞对其具有更佳的耐受性。此外，石墨烯还具有制备简单、易获得，成本比金属和金属氧化物低等优势。但石墨烯基材料的抗菌性也存在争议。例如，Akhavan等[5]比较了四种碳基材料：石墨、石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯对大肠杆菌的抗菌性，观察到GO对大肠杆菌显示出最大的抗菌活性。另一项研究GO抗菌活性的结果则表明，当在培养基中加入GO时，大肠杆菌生长得更快，该现象可以用GO刺激细菌增殖的原理来解释，即GO提供了细胞附着和生长的表面。以上关于石墨烯基材料作为抗菌剂应用时的矛盾结果引起了更多研究人员对石墨烯抗菌性的密切关注。

近年来，石墨烯和氧化石墨烯纳米颗粒开始被人们尝试应用于外科植入物的表面改性。Pang等[8]在体内与体外评估了石墨烯和GO的生物安全性与抗菌能力。在这项研究中，研究者采用与骨髓间充质干细胞共培养的方式评估了体外石墨烯和GO的生物安全性，并通过将材料植入小鼠肌肉组织中，观察它们的体内生物安全性。结果表明，10 μg／mL是石墨烯和GO的安全临界浓度。当浓度大于10 μg／mL时，石墨烯和GO的细胞毒性呈剂量依赖性。抗菌性的结果表明，当浓度大于等于100 μg／mL时，石墨烯具有抗菌能力；当浓度大于等于50 μg／mL时，GO呈现出抗菌能力。石墨烯和GO的抗菌作用在体外呈剂量依赖性，浓度为50～100 μg／mL时，可能是保持细胞毒性与抗菌性平衡的一个比较好的范围。该研究表明，石墨烯和GO在一定的浓度范围内具有良好的生物安全性和抗菌性，具有临床应用的潜力。(www.xing528.com)

一般而言，石墨烯的抗菌作用既涉及物理效应，又涉及化学效应。物理效应主要是由其锋利的边缘与细菌的细胞膜直接接触，破坏性地提取出磷脂分子而引起的，也称为“纳米刀理论”。此外，包裹作用和光热消融机制也贯穿其中。化学效应主要是由活性氧或电荷转移诱导细胞产生的氧化应激过程。此外，由于协同作用能提高抗菌效率，石墨烯也常被用作分散、稳定各种纳米材料抗菌剂（如金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒、聚合物及其复合材料）的支撑基底材料。

本章将综述与抗菌性相关的石墨烯基材料特性、石墨烯基材料的抗菌机理、石墨烯基材料抗菌相关的应用及其抗病毒潜力。