石墨烯是人類已知的最薄的化合物，厚度僅為一個原子，為許多應(yīng)用提供了解決方案。特別因其薄、輕、可持續(xù)的特性以及抗菌潛力而受到醫(yī)療用途的追捧。

最近，一個國際科學(xué)家團(tuán)隊在開發(fā)石墨烯未來在醫(yī)療保健應(yīng)用中的抗菌潛力方面取得了重大進(jìn)展。該團(tuán)隊由來自英國、塞浦路斯、奧地利、芬蘭、荷蘭和中國的科學(xué)家組成，他們創(chuàng)造了一系列具有不同表面氧含量 (SOC) 的石墨烯材料，并比較了它們的抗菌性能。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯材料中的表面氧含量是決定其殺滅細(xì)菌效果的關(guān)鍵因素。發(fā)表在ACS nano上的研究結(jié)果可能有助于設(shè)計出更安全、更有效的產(chǎn)品來對抗抗菌素耐藥性。

石墨烯在抗菌應(yīng)用方面有何潛力？

由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，石墨烯在抗菌應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。作為抗菌劑，石墨烯材料 (GM) 可能比傳統(tǒng)抗生素更具優(yōu)勢，因為它們相互作用的性質(zhì)是物理的——這意味著石墨烯片包裹細(xì)菌或利用其鋒利的邊緣穿透細(xì)菌——而不是純粹的分子機(jī)制的行動。這種物理相互作用意味著細(xì)菌對石墨烯產(chǎn)生耐藥性的可能性更小，就像它們對濫用抗生素產(chǎn)生耐藥性一樣。

已有研究表明，石墨烯及其衍生物對各種細(xì)菌、病毒和真菌具有廣譜抗菌潛力。石墨烯可在許多應(yīng)用中用作抗菌劑，包括：

· 抗菌涂層：石墨烯可用于為醫(yī)療設(shè)備、食品包裝和紡織品等表面制造抗菌涂層。這些涂層可以防止細(xì)菌在表面生長，降低感染風(fēng)險；

· 傷口愈合：石墨烯已被證明可以通過加速血管和皮膚細(xì)胞的形成來促進(jìn)傷口愈合。它還可以防止傷口細(xì)菌感染，降低并發(fā)癥的風(fēng)險；

· 水凈化：氧化石墨烯可用于制造過濾器，去除水中的細(xì)菌和其他污染物。這些過濾器非常有效，有可能為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供干凈的飲用水。

研究團(tuán)隊最近對石墨烯抗菌潛力的研究結(jié)果？

主要發(fā)現(xiàn)是石墨烯與細(xì)菌相互作用的方式（相互作用模式）高度依賴于表面的氧含量——表面氧含量 (SOC)。

具有高 SOC 的石墨烯材料主要從懸浮液中平貼（平行于）細(xì)菌細(xì)胞表面。當(dāng) SOC 達(dá)到約 0.3（O 在總原子中的原子百分比）的閾值時，交互模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫吘墸ù怪保┙换?。這種不同的相互作用模式與石墨烯材料的剛性高度相關(guān)。

具有高 SOC 的氧化石墨烯 (GO) 非常靈活，因此可以包裹細(xì)菌，而具有較低 SOC 的還原 GO (rGO) 更堅硬，因此往往會通過其邊緣與細(xì)菌接觸。

這兩種模式都不一定能殺死細(xì)菌，但殺菌活性取決于石墨烯材料與周圍生物分子的相互作用，這也表明了一種化學(xué)機(jī)制。

這些發(fā)現(xiàn)表明，石墨烯材料SOC的變化決定了材料的剛性程度，是驅(qū)動與細(xì)菌相互作用模式的關(guān)鍵因素，從而有助于理解導(dǎo)致其抗菌作用的不同可能物理機(jī)制。SOC 可作為設(shè)計有效抗菌劑的關(guān)鍵因素。

研究結(jié)果有何意義？

關(guān)于 GM 的抗菌潛力是源于平行相互作用還是垂直相互作用，或者它們的組合的基本問題已經(jīng)通過這項工作得到澄清；這兩種模式都有助于石墨烯材料的抗菌活性，這取決于表面氧含量，這會影響材料的剛性，從而影響材料是與細(xì)菌的邊緣相互作用(低SOC的氧化石墨烯)，還是以側(cè)面的方式包裹細(xì)菌(高SOC的氧化石墨烯)。這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對石墨烯與細(xì)菌相互作用的理解。

例如，經(jīng)常有人提出，大的石墨烯片包裹著細(xì)菌，而小的石墨烯片傾向于用側(cè)邊切割細(xì)菌。我們的研究結(jié)果表明，在相互作用模式中，片材尺寸并不是決定因素，而是片材的剛度，這是由材料的SOC決定的。

這些發(fā)現(xiàn)對石墨烯的未來應(yīng)用意味著什么？

這些發(fā)現(xiàn)表明，石墨烯材料 SOC 的變化是驅(qū)動它們與細(xì)菌相互作用模式的關(guān)鍵因素。SOC 可作為設(shè)計有效抗菌劑的關(guān)鍵因素。例如，如果將石墨烯用于有機(jī)物含量高的廢水處理，則可能會優(yōu)先使用 SOC 低、剛性高的石墨烯。

圖片來源：Shutterstock/BONNINSTUDIO

選擇低 SOC 石墨烯 (rGO) 用于廢水處理的主要原因是我們的研究結(jié)果還表明，培養(yǎng)基中存在的蛋白質(zhì)與石墨烯表面結(jié)合，降低或使高有機(jī)碳的石墨烯材料的抗菌作用失活，并成為細(xì)菌生長的平臺。

然而，在低 SOC 下，抗菌活性仍然很高，因為在低荷電性的石墨烯材料中，蛋白質(zhì)與材料結(jié)合的位點(diǎn)較少，只有邊緣允許結(jié)合。SOC 誘導(dǎo)的切換閾值將根據(jù)其他固有材料參數(shù)（例如橫向尺寸和厚度）而變化——因此，需要針對特定應(yīng)用中使用的特定石墨烯材料明確確定 SOC 和切換閾值，以優(yōu)化特定測試條件下的抗菌活性。

下一步研究是什么？

下一步是將這一發(fā)現(xiàn)用于不同的應(yīng)用場景。例如，在用于廢水處理和低成本水凈化的膜，這是支持聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) 6“人人享有清潔水”的工作的一部分。

還在探索利用這些材料開發(fā)傷口敷料的潛力——特別是針對燒傷，感染是愈合過程中的主要問題，尤其是大面積燒傷。使用 SOC 定制的石墨烯材料作為傷口敷料的成分在兩個方面提供了希望——在高 SOC 下促進(jìn)細(xì)胞生長和在低 SOC 下抗菌。

同樣，可以開發(fā)用于糖尿病傷口、壓瘡或靜脈潰瘍等非愈合性損傷的敷料——這些是一個至關(guān)重要的醫(yī)療保健問題，因為在大多數(shù)臨床病例中，它們會由于無效的愈合程序而逐漸變成慢性病。