通用机制：rGO-Ag复合材料的捕获-杀死机制探究

细菌细胞与石墨烯基材料接触一段时间后，最终都会被损坏。一般来说有以下三种损坏细菌细胞的机制：细胞膜应力、氧化应激和包裹隔离[24]。这些机制可以单独作用或者协同作用来杀菌或抑制细菌的生长，以达到抗菌的效果。石墨烯基材料的三种常见抗菌机制如图8-2所示，下文将具体阐述。

图8-2　石墨烯基材料常见的抗菌机制[9]

（1）细胞膜应力

通过目前已知的碳纳米管和富勒烯的生物效应，可知细胞受损的原因为细胞膜受到破坏。大肠杆菌细胞与rGO或GO分散液接触一段时间后，细胞膜的完整性会被破坏，这表明细菌细胞在与石墨烯基材料直接接触后发生了不可逆的损伤。

研究者对细胞膜应力机制做出了一种新解释，认为造成细胞损伤的原因是大肠杆菌细胞膜内的磷脂（图8-2）被提取出来了。他们通过进一步的实验证明了提取过程，利用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）观察暴露在GO薄片上的大肠杆菌细胞。细菌细胞最初与GO薄片接触时，表现出对材料的耐受性。之后，一些细胞表面的磷脂密度变低，细胞膜部分受损。最后，细胞膜受到严重的破坏，甚至有一些细胞质完全流失。以上的破坏流程得到了分子动力学模拟的证实，并获得了更详细的破坏机制：石墨烯基纳米薄片在最初时是振动模式；之后是插入模式，凭借细胞膜的脂质层和疏水界面间的范德瓦耳斯力，纳米薄片的边缘穿过细胞膜；最后是提取模式，纳米薄片能强力提取出细胞膜表面脂质层里的磷脂。

这些研究结果表明，石墨烯基材料的插入和对细胞膜表面脂质层里的磷脂的提取，在细胞膜中引入了应力，从而降低了细胞的存活能力[25]。对细胞膜的脂质双分子层破坏力最大的是那些未氧化的、比表面积较大的石墨烯纳米薄片，因为石墨烯纳米薄片是通过其边缘接触脂质双分子层而刺入的。这些石墨烯纳米薄片的锋利边缘可自发地刺入细胞膜，这使得刺入细菌细胞膜内所需跨越的能量势垒减少。在细菌细胞与石墨烯基材料边缘的接触过程中，边缘还可以作为电子受体，与细菌细胞中的负电荷发生电荷转移，也有助于细菌细胞膜被刺穿。相比之下，GO薄片的亲水性导致GO薄片大多黏附在细胞膜表面，而非刺穿磷脂双分子层。rGO薄片对细胞膜的破坏程度高于GO纳米薄片，这是由于rGO薄片具有锐利边缘和更好的电荷传导性，因而rGO薄片对细菌细胞的破坏性更强。

此外，研究者也通过研究细菌细胞在接触纳米薄片后的细胞质的泄漏情况，来评估石墨烯纳米薄片对细菌细胞膜的破坏作用。比如通过量化RNA浓度，研究者发现当细菌细胞与GO或rGO纳米薄片接触时，溶液中的RNA浓度相比空白对照组更高。并且，GO或rGO纳米薄片的锋利边缘对不同的细菌的作用效果也不一样。比如，它对革兰氏阳性细菌的细胞膜损伤更大，而革兰氏阴性菌的外部膜仍然能保持完整[5]。对于另一些细菌细胞，例如铜绿假单胞菌，其具有四层细胞膜，细胞外膜表面是由强烈交联的脂多糖形成的，这就导致其对亲水性溶质的吸收能力低，对多种抗菌剂产生耐药性[26]。(www.xing528.com)

rGO-Ag复合材料的杀菌作用，可以描述为“捕获-杀死”机制。Ag纳米颗粒被负载到rGO的表面，这个负载可以有效防止Ag纳米颗粒的聚集。因为rGO可以作为表面带负电的封端剂高分子来使用，细菌细胞被吸附到rGO表面，即rGO起了捕获细菌细胞的作用，这个捕获有助于细菌和Ag纳米颗粒的接触，Ag纳米颗粒起了抑菌生长的作用。

（2）氧化应激

氧化应激是另一种石墨烯基材料与细菌相互作用的物理化学机制，也是抗菌活性的一个重要方面。氧化应激在GO抗菌行为中起到重要作用，氧化应激与ROS的生成是细胞在防御时的主要机制。氧化应激会使细菌的核酸、蛋白质和脂质被氧化，最终破坏细菌细胞膜、抑制细菌细胞的生长[10]。这种抑制作用在产生ROS时发生，并且该效应也会改变细胞的氧化还原状态。纳米颗粒可通过干扰细胞内氧化剂和抗氧化剂之间的平衡过程，干扰细菌的抗氧化防御反应，从而达到促进氧化应激的作用。ROS通常包括羟基自由基（HO－）、过氧化氢（H2O2）和超氧阴离子基（O－2），它们均能破坏细胞内的主要成分，尤其是DNA和蛋白质[27]。研究发现，细菌细胞的DNA在与GO接触24h后，DNA发生了不可逆的破坏，证实了GO引起的氧化应激。然而在rGO与细菌细胞DNA的同等时间的接触实验中，没有观察到同样的破坏效果[16]。这表明为使DNA破碎，细菌细胞与rGO需要接触更久，或rGO对细菌细胞的杀死机制与GO不同。

小尺寸的GO纳米薄片由于具有更大的缺陷密度，其氧化能力会更强。GO纳米薄片与细菌细胞膜的相互接触过程中，脂质的过氧化是在细菌与GO薄片接触过程中发生氧化应激的主要原因。脂质过氧化会发生连锁反应，首先脂质分子被ROS氧化，随后形成脂质过氧化自由基，最后氧化破坏细菌细胞膜。

（3）包裹隔离

石墨烯能包裹细菌细胞的表面，使得细胞与其赖以生存的培养基分离，细菌细胞膜的渗透通路被阻塞，因此它们无法获取营养物质进行生长，最终导致细胞死亡。尽管与石墨烯相比，GO会渗透一部分营养物质，但是GO纳米薄片可以隔离细菌细胞（图8-2）。例如，小尺寸的GO纳米薄片可以单独包裹大肠杆菌，大尺寸的GO薄片可以通过包裹多个大肠杆菌细胞而使它们发生聚集[6]。分子动力学模拟发现小尺寸的石墨烯薄片（约5.9nm×6.2nm）就能阻塞细菌细胞膜的磷脂双分子层[28]，但是一小部分石墨烯纳米薄片也会发生细菌细胞内化。然而，GO对细菌细胞的包裹抑制作用是可逆的，用超声分离等技术使细菌与GO纳米薄片分离后，细胞便会恢复正常[10]。rGO与GO不同的抗菌活性表明石墨烯基材料的分散和团聚对抗菌性有重要的影响[6]。