石墨烯及其復(fù)合材料在抗菌方面應(yīng)用研究進展

姜國飛， 劉 芳， 隨林林， 王洪喜， 王永強， 趙朝成

(中國石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

石墨烯及其復(fù)合材料在抗菌方面應(yīng)用研究進展

姜國飛， 劉 芳， 隨林林， 王洪喜， 王永強， 趙朝成

(中國石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

作為一種新型碳納米材料，石墨烯在諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的適用性，得到了學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的關(guān)注。在抗菌方面，石墨烯及其衍生物具有良好的抗菌性和生物相容性，同時也是抗菌活性物質(zhì)的理想載體，利用石墨烯材料制備出的復(fù)合材料具有抗菌性能強、作用時間久、拉伸穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于水處理、分離膜、醫(yī)療和制藥領(lǐng)域。以近期文獻為基礎(chǔ)詳細介紹了石墨烯抗菌機理及石墨烯復(fù)合材料在抗菌方面的應(yīng)用，并闡述了石墨烯材料存在的生物安全性問題。

石墨烯； 復(fù)合材料； 抗菌； 生物安全

Abstract： As a new type of carbon nanomaterial, graphene has shown good applicability in many fields, attracting great attention in academic and industrial circles. In terms of antibacterial, graphene and its derivatives have good antibacterial and biocompatibility, and they also serve anideal carrier for antibacterial active substances. The composites prepared by graphene materials have many advantages, such as strong antibacterial property, long action time, good tensile stability, stable chemical property, etc., and they can be widely used in water treatment, separation membrane, medical treatment and pharmaceutical field. Based on the recent literature, we elaborated on the antibacterial mechanism of graphene and the application of graphene composites in antibacterial, and we evaluated the biosafety of graphene materials.

Keywords：graphene; composite; antibacterial; biosafety

近年來，利用納米材料制備具有優(yōu)異抗菌性和生物相容性的復(fù)合材料越來越吸引研究者們的興趣，他們希望將其應(yīng)用到生物傳感器、生物醫(yī)學(xué)裝置、薄膜纖維傷口敷料以及水凈化膜等方面，在保證其原有作用的同時賦予其優(yōu)異的抗菌性能。這種興趣最大化地激發(fā)了納米材料的抗菌性能，并通過添加新物質(zhì)等方式設(shè)計組成納米復(fù)合材料以改善其抗菌性能(如提高抗菌率、提升使用壽命等)，設(shè)計的靈活性和適用性為大規(guī)模的制造提供了可能。

納米復(fù)合材料是通過適當?shù)闹苽浞椒?，將納米材料均勻地分散在基體材料中，形成單相含有納米尺寸材料的復(fù)合體系，由此產(chǎn)生的材料結(jié)合了其成員的各種功能。其中基于碳的納米材料，特別是石墨烯(Gr)、氧化石墨烯(GO)以及還原氧化石墨烯(rGO)，都具備良好的各項性能。近期的文獻報道了石墨烯材料具有強抗菌性能[1-2]，利用石墨烯及其衍生物制備抗菌納米復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 石墨烯及其衍生物

2004年，英國研究者Geim和Novoselov等[3]通過機械剝離法首次制備了單層石墨烯。石墨烯是由單層碳原子之間依靠sp2雜化組成的具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料，是構(gòu)成碳納米管、富勒烯、石墨等碳材料的基本結(jié)構(gòu)，其單層厚度僅有0.335 nm。石墨烯按照層數(shù)的不同可分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯(3～10層)及多層石墨烯(通常大于10層且厚度在10 nm以下)。石墨烯的制備方法一般有機械法、氧化石墨還原法、SiC外延法及氣相沉積法(CVD)等[4-6]，制備方法示意圖如圖1所示。氧化石墨還原法是實驗室制備石墨烯最常用的一種方法，分為氧化和還原2個步驟，氧化步驟首先利用低溫反應(yīng)使酸在石墨片層間插層，擴大層間距，隨后中溫反應(yīng)對石墨片層進行深度氧化，最后利用高溫反應(yīng)使層間化合物水解，氧化完全的產(chǎn)物經(jīng)過離心處理后即可得到棕黃色氧化石墨。氧化石墨經(jīng)化學(xué)還原劑還原即可得到還原氧化石墨烯。

圖1 石墨烯制備方法示意圖[4-6]Fig.1 Schematic diagram of graphene preparation[4-6](a) Three-roll mechanical method; (b) Reduction of graphite oxide; (c) SiC epitaxial method; (d) CVD method

石墨烯衍生物包括多層石墨烯、單層石墨烯、氧化石墨烯與還原氧化石墨烯，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。石墨烯材料導(dǎo)熱和機械性能突出、電子傳遞性能和光學(xué)性能優(yōu)異[7-8]，擁有高比表面積、優(yōu)異的催化活性以及較好的抗菌活性。石墨烯材料在諸多領(lǐng)域(如場效應(yīng)晶體管、太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器、傳感器、用于難降解有機物去除的吸附劑等[9-12])均表現(xiàn)出了巨大的潛力，利用石墨烯制備新型納米復(fù)合材料也得到了應(yīng)用，如構(gòu)建電化學(xué)器件、儲能器件以及催化劑[13]等。近年研究表明，石墨烯材料與生物分子可以表現(xiàn)出獨特的相互作用，如選擇性吸附單鏈雙鏈DNA分子、依靠疏水能力插入脂質(zhì)雙分子層、在銅離子存在下可以嵌入DNA分子等，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如固定化生物酶、細胞成像、藥物運輸及制備生物傳感器等[14]。

圖2 石墨烯及其衍生物Fig.2 The members of the graphene family materials(a) Few-layered grapheme; (b) Graphene nanosheet; (c) Graphene oxide; (d) Reduced grapheme

2 石墨烯抗菌機理的研究進展

抗菌性能作為石墨烯基本性能之一，近年來得到了眾多研究者們的關(guān)注。Akhavan等[15]研究了氧化石墨烯和還原氧化石墨烯分別對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抗菌活性。結(jié)果表明，還原氧化石墨烯及氧化石墨烯對以上2種菌都有著明顯的抗生長性，且還原氧化石墨烯的毒性要大于氧化石墨烯，對金黃色葡萄球菌的抗菌能力要大于對大腸桿菌，通過進一步的研究還發(fā)現(xiàn)，還原氧化石墨烯在與細菌接觸時片層邊緣可以更好地進行電荷轉(zhuǎn)移。研究者在測定細菌細胞質(zhì)外流的基礎(chǔ)上還發(fā)現(xiàn)了細菌滅活的一種有效機制，即細菌與石墨烯鋒利的邊緣接觸時會引起細菌細胞膜的損傷，從而殺死細菌，由于大腸桿菌具有莢膜而金黃色葡萄球菌不具有莢膜，因而大腸桿菌對石墨烯衍生物的抵抗能力較強。Hu等[1]研究了氧化石墨烯對大腸桿菌的抗菌活性，發(fā)現(xiàn)當將大腸桿菌菌液分別置于20 μg/mL及85 μg/mL的氧化石墨烯分散液中2 h后，大腸桿菌的細胞代謝活性分別降低到70%和13%，同時研究者還證實，細菌細胞在與石墨烯衍生物接觸時會產(chǎn)生細胞膜的損傷，并導(dǎo)致其失去完整性。Wang等[16]通過分子動力學(xué)模擬分析石墨烯切割作用，證實石墨烯可通過片層切割作用破壞磷脂雙分子層。Pham等[17]發(fā)現(xiàn)石墨烯與細菌接觸的方向角度會影響殺菌性能，當方向角度為37°時石墨烯仍可有效地殺死金黃色葡萄球菌與銅綠假單胞菌。Mangadlao等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，當利用LB膜技術(shù)將氧化石墨烯依靠物理切割所產(chǎn)生的殺菌性能屏蔽后，氧化石墨烯仍可殺死部分大腸桿菌，這項研究表明石墨烯除去物理切割，還有其他抗菌機理。

Liu等[2]比較了石墨、氧化石墨、氧化石墨烯及還原氧化石墨烯這4種石墨烯衍生物對大腸桿菌的抗菌活性。結(jié)果表明，當這4種石墨烯衍生物的質(zhì)量濃度均為40 μg/mL時，氧化石墨烯分散液表現(xiàn)了最高的抗菌活性，接下來依次是還原氧化石墨烯、石墨及氧化石墨。通過對SEM照片(如圖3所示)分析表明，石墨烯衍生物的抗菌性能是由于細菌與石墨烯片層直接接觸，導(dǎo)致細菌細胞膜被破壞從而死亡，研究者還發(fā)現(xiàn)，在石墨烯衍生物作用后谷胱甘肽被氧化，但整個過程中活性氧含量并沒有大幅提升，因此研究者認為，石墨烯衍生物的抗菌作用是由物理切割作用與非ROS依賴的氧化應(yīng)激作用共同導(dǎo)致的，并提出了“三步”抗菌機理，首先細菌細胞與石墨烯基材料進行接觸，隨即石墨烯基材料利用鋒利的片層破壞細菌細胞膜，最后通過氧化應(yīng)激作用破壞或干擾細胞結(jié)構(gòu)使細菌生理活動遭到破壞從而死亡。Krishnamoorthy等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以誘導(dǎo)增強脂質(zhì)的過氧化作用，影響細菌細胞的生理功能，使細胞活性氧的含量提高，并將脂肪酸氧化，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物的生成，刺激自由基反應(yīng)，使細胞膜遭到破壞后細胞死亡裂解。Gurunathan等[20]在研究石墨烯對綠膿桿菌的抗菌性能時發(fā)現(xiàn)，GO與rGO作用后的綠膿桿菌細胞內(nèi)活性氧含量分別提升了3.8倍和2.7倍，這證明石墨烯可通過ROS依賴的氧化應(yīng)激殺死細菌。Wang等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯對希瓦氏菌種缺乏抗菌性能，是由于希瓦氏菌種屬于異化金屬還原菌，可以將代謝產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到外部電子受體，在希瓦氏菌細胞介導(dǎo)的微生物呼吸形成的環(huán)境下，氧化石墨烯可以被還原，間接證明了氧化石墨烯的抗菌性能與氧化應(yīng)激能力有關(guān)。

圖3 石墨烯材料作用大腸桿菌SEM照片[2]Fig.3 SEM micrograph of graphene materials on Escherichia coli[2](a), (b) Escherichia coli after incubation with saline solution for 2 h without graphene-based materials; (c), (d) Escherichia coli cells after incubation with GO dispersion (40 μg/mL) for 2 h; (e),(f) Escherichia coli cells after incubation with rGO dispersion (40 μg/mL) for 2 h

Akhavan等[22]在之前研究的基礎(chǔ)上進一步研究發(fā)現(xiàn)，將氧化石墨烯納米片與大腸桿菌混合培養(yǎng)48 h，氧化石墨烯的含氧官能團減少了60%，大部分氧化石墨烯被還原，這是由于厭氧條件下細菌細胞通過糖酵解反應(yīng)生成葡萄糖將氧化石墨烯還原，證明了細菌有還原氧化石墨烯的能力。研究者將被細菌還原后的石墨烯從已經(jīng)增殖的細菌表面剝離，發(fā)現(xiàn)這些石墨烯仍具有抗菌性能，證明石墨烯和氧化石墨烯納米片可應(yīng)用于超薄涂層中，即使在高度適合細菌增殖的環(huán)境中也可以發(fā)揮很好的抗菌性能。研究者還發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯可以很好地吸附在細菌表面，將細菌與其生活環(huán)境分離，減少細菌間的物質(zhì)、信息交流，使細菌無法增殖。Liu等[23]的一項研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯的橫向尺寸會對抗菌性能造成影響，較大的氧化石墨烯納米片表現(xiàn)出更強的抗菌活性，僅作用1 h即可導(dǎo)致大多數(shù)細菌死亡，并且在相對較低質(zhì)量濃度(<10 μg/mL)下也表現(xiàn)出較好的抗菌活性，而較小的氧化石墨烯納米片則需要4 h，其抗菌活性隨著濃度的增加而提高。在這項研究中研究者還發(fā)現(xiàn)，具有不同橫向尺寸的氧化石墨烯納米片對谷胱甘肽的氧化能力是相似的，這表明氧化石墨烯納米片的抗菌性能并不單單由其氧化能力決定。研究者使用原子力顯微鏡觀察氧化石墨烯納米片作用后的細菌細胞發(fā)現(xiàn)，面積大的氧化石墨烯納米片更容易覆蓋細胞，細胞一旦被覆蓋完全就無法增殖，導(dǎo)致在隨后的菌落計數(shù)實驗中會觀察到細菌存活率下降，而面積較小的氧化石墨烯納米片雖然也能吸附在細菌表面，但卻不能有效地將細胞與環(huán)境隔離開，因此抗菌活性較低。

在上述的研究中都提到細菌與石墨烯接觸時會引起細菌細胞膜的損傷，其中一部分研究者認為是依靠物理切割引起的，另一部分研究者認為引起細胞膜損傷的原因除了物理切割，還應(yīng)有氧化應(yīng)激作用，為了弄清楚石墨烯及衍生物與生物膜之間的相互作用，Li等[24]使用單層石墨烯進行石墨烯與細胞表層的接觸實驗，通過電子顯微鏡和熒光成像發(fā)現(xiàn)石墨烯可以插入到細胞膜內(nèi)將磷脂抽離。Tu等[25]在研究中發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以大規(guī)模地抽取細胞膜上的磷脂，破壞細胞膜從而使細菌死亡，抽離示意圖如圖4所示。

圖4 石墨烯隨時間抽取細胞膜磷脂圖[25]Fig.4 Image that graphene extracts the cell membrane phospholipids over time[25](a) 8 ns; (b)100 ns; (c) 103 ns; (d) 108 ns; (e) 220 ns; (f) 500 ns

綜上所述，對于石墨烯的抗菌機理，目前主要有這4種解釋：(1)當細菌細胞與石墨烯及其衍生物接觸時，石墨烯及其衍生物鋒利的片層邊緣會劃傷細菌細胞膜，從而使細胞內(nèi)容物流出，導(dǎo)致細菌死亡，石墨烯與細菌接觸的方向角度會影響殺菌性能；(2)石墨烯及其衍生物可以通過氧化應(yīng)激作用將谷胱甘肽氧化，使活性氧含量增高，并將脂肪酸氧化，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物的生成，刺激自由基反應(yīng)，使生物膜遭到破壞后裂解死亡；(3)石墨烯及其衍生物可以吸附在細菌細胞表面并將其完全覆蓋，從而使細胞與生存環(huán)境隔離開，阻止細菌增殖；(4)石墨烯及其衍生物在接觸到細菌細胞膜后可以插入到磷脂雙分子層中，并將磷脂分子抽離，從而破壞細胞膜結(jié)構(gòu)使細菌死亡。

3 石墨烯復(fù)合材料在抗菌方面的應(yīng)用

雖然石墨烯的抗菌性能已被報道，但在實際應(yīng)用中還存在一系列的問題，如在電解液中存在時不穩(wěn)定易團聚，團聚的石墨烯還有可能會成為細菌生物膜生長的基體等。隨著納米材料應(yīng)用的日益廣泛，許多納米材料如Ag、ZnO、Cu、殼聚糖[26-28]等都表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌性能，但這些材料的生物相容性欠佳，因此研究者們將石墨烯及其衍生物與上述納米材料進行復(fù)合使用，開發(fā)抗菌能力更強、穩(wěn)定性更好及生物相容性更優(yōu)的復(fù)合材料。

3.1石墨烯-Ag納米復(fù)合材料

目前應(yīng)用于抗菌方面的石墨烯基復(fù)合材料中，應(yīng)用最多的是石墨烯-Ag復(fù)合材料。Liu等[29]通過簡單的共混法制備出分散均勻的GO-Ag納米復(fù)合材料，合成步驟如圖5所示。當GO-Ag材料質(zhì)量濃度為80 μg/mL時，對大腸桿菌的殺菌率可達99%，遠高于單純使用GO(10%)或Ag納米粒子(86%)的殺菌率，這證明二者組成GO-Ag復(fù)合材料后在較低濃度下即可有較高的抗菌性能，原因是在GO-Ag復(fù)合材料中，由于GO具有較大的比表面積，Ag納米顆粒很容易沉淀在GO表面，因此GO可以帶著Ag很好地吸附在細菌表面，提高Ag與細菌接觸的幾率，從而大大提高了抗菌活性。

圖5 GO-Ag納米復(fù)合材料合成示意圖[29]Fig.5 The synthesis of GO-Ag nanocomposites[29]

Das等[30]在研究中先使用NaBH4還原AgNO3得到Ag納米粒子，再與GO復(fù)合而成的GO-Ag復(fù)合材料對銅綠假單胞菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌及金黃色葡萄球菌，均有優(yōu)異的抗菌性能。不同濃度的AgNO3溶液制備出的Ag納米粒子大小和形狀不同，不同大小和形狀的Ag納米粒子制備出的GO-Ag復(fù)合材料的抗菌性能也不同，采用較高濃度AgNO3溶液制備出的GO-Ag復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的抗菌活性。2年后，Das等[31]使用檸檬酸作為穩(wěn)定劑控制Ag納米粒子大小和形狀，制備出了殺菌率可達100%的GO-Ag復(fù)合材料。研究者發(fā)現(xiàn)，GO-Ag 復(fù)合材料可以刺激細菌細胞膜，打破細胞滲透性從而使膜內(nèi)成分泄漏，使細菌死亡。研究者還發(fā)現(xiàn)，GO-Ag復(fù)合材料的抗菌性能明顯優(yōu)于Ag納米粒子，在面對金黃色葡萄球菌時可以提升65.15%的糖泄漏率及137%的蛋白質(zhì)泄漏率，在面對枯草芽孢桿菌時可以提升32.69%的糖泄漏率及106.85%的蛋白質(zhì)泄漏率。他們還發(fā)現(xiàn)，GO表面官能團的尺寸及密度也會影響復(fù)合材料的性能[32]。

其他研究者對石墨烯-Ag納米復(fù)合材料的研究見表1。

圖6 Ag/PVA/Gr復(fù)合材料與Ag/PVA復(fù)合材料抗菌效果對比圖[33]Fig.6 Comparison on the antibacterial effect of Ag/PVA/Grcomposites and Ag/PVAcomposites[33]

CompositesTargetspeciesOptimalmassconcentration/(μg·mL-1)Ref.GO-IONPs-AgStaphylococcusaureus7.2[34]Escherichiacoli50[34]GO-AgPseudomonasaeruginosa2.5-5.0[35]Staphylococcusaureus14[36]Escherichiacoli4[36]Escherichiacoli3.2[40]Bacillussubtilis6.4[40]rGO-AgBacilluscereus0.04+30mgAg[37]Listonellaanguillarum0.08+30mgAg[37]Staphylococcusaureus0.16+30mgAg[37]Escherichiacoli0.16+30mgAg[37]Ag-HNTs-rGOEscherichiacoli2[38]Staphylococcusaureus2[38]Ag-PDA-GOEscherichiacoli25[39]

3.2石墨烯-金屬氧化物復(fù)合材料

石墨烯-Ag復(fù)合材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌性能，但由于Ag價格偏高，因此研究者們對制備石墨烯-金屬氧化物復(fù)合材料并用于抗菌領(lǐng)域進行了研究。Zhong等[41]在研究中首先以低成本高產(chǎn)率的溶液沉淀法制備了直徑為15 nm的ZnO納米顆粒，然后通過共價結(jié)合的方式制備出了ZnO-GO復(fù)合材料。研究者通過ZnO-GO復(fù)合材料作用大腸桿菌SEM照片(如圖7所示)觀察ZnO-GO復(fù)合材料對大腸桿菌的作用，發(fā)現(xiàn)細菌在接觸ZnO-GO復(fù)合材料2 h后細胞膜遭到了嚴重的損害，在使用氧化劑感應(yīng)熒光探針檢測細菌被殺死后懸浮液內(nèi)氧含量變化時，發(fā)現(xiàn)活性氧含量顯著增加，因此分析ZnO-GO復(fù)合材料的抗菌機理是由于庫侖力的吸引，鋅離子可以與帶負電的細菌細胞膜緊密結(jié)合，導(dǎo)致電子在ZnO與GO之間快速轉(zhuǎn)移，GO表面氧吸收電子后可以形成各種活性氧，最終導(dǎo)致細胞膜脂質(zhì)過氧化物的形成，從而破壞細菌表面，整個過程中ZnO與GO之間表現(xiàn)出了高度的協(xié)同作用，ZnO-GO復(fù)合材料抗菌性能遠大于單獨使用ZnO或GO，也證實了這一理論。

Chang等[42]將TiO2與磁性氧化石墨烯(mGO)利用超聲分散制備mGO-TiO2復(fù)合材料，通過SEM和TEM表征發(fā)現(xiàn)，TiO2可以在mGO表面均勻分散，結(jié)合能力較強。在對大腸桿菌的抗菌實驗中，mGO與TiO2表現(xiàn)出了優(yōu)異的協(xié)同抗菌作用，當復(fù)合材料使用量為180 mg/L時，光照30 min細菌的失活率即可達到100%，這是其他光催化殺菌劑所達不到的，但可以與·OH反應(yīng)的無機離子(如-HCO3-和HPO42-等)會嚴重影響復(fù)合材料的抗菌性能。mGO-TiO2復(fù)合材料的飽和磁化強度為3.38×104A/m，當外加磁場時，它可以迅速地從水溶液中分離，該復(fù)合材料制備簡單、成本低、抗菌性能強，是很有潛力的水處理抗菌劑，在生物醫(yī)學(xué)方面也可得到廣泛的應(yīng)用[43-45]。

圖7 不同材料作用大腸桿菌的SEM照片[41]Fig.7 SEM micrograph of Escherichia coli withdifferent materials[41](a) Normal Escherichia coli cells; (b) ZnO;(c) GO; (d) ZnO/GO composites

Chella等[46]以MnFe2O4及Gr為原料，采用溶劑熱法合成了MnFe2O4-Gr復(fù)合材料，當復(fù)合材料使用量為100 μg/mL、作用大腸桿菌2 h時，對大腸桿菌的殺菌率可達82%，對死亡的細菌細胞進行SEM觀測發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌細胞壁完全破裂且附著在復(fù)合材料表面，抗菌機理是復(fù)合材料含有高密度官能團，并且尺寸較小，有更多的機會可以與細菌細胞接觸，導(dǎo)致細胞死亡沉積。研究者發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料不僅有著良好的抗菌性能，對重金屬離子Pb(Ⅱ)與Cd(Ⅱ)還有很好的吸附性能，因此該復(fù)合材料不僅可作為抗菌劑使用，還可作為吸附重金屬離子的吸附劑使用。石墨烯材料與鐵氧化物構(gòu)成的復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于水質(zhì)凈化領(lǐng)域[47-48]。

3.3其他石墨烯基復(fù)合材料

溶菌酶(Lysozyme，Lyz)被認為是具有優(yōu)良抗菌性能的生物抗菌劑，但由于游離酶化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、活性低而無法大量使用。Duan等[49]以GO及rGO為載體固定化溶菌酶，成功制備GO-Lyz及rGO-Ly復(fù)合材料，然后將固定化酶融入聚醚砜(PES)中通過相轉(zhuǎn)化法制備GO-Ly超濾膜及rGO-Lyz 超濾膜，固定化原理如圖8所示。通過表征發(fā)現(xiàn)，溶菌酶成功地固定在GO和rGO表面，GO-Lyz超濾膜及rGO-Lyz超濾膜的水通量、親水性及機械強度相對于純PES膜均得到了顯著提升。在對大腸桿菌的抗菌實驗中，GO-Ly超濾膜及rGO-Lyz超濾膜均表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌性能，最大抗菌率分別為95.0%和94.2%，因此采用石墨烯衍生物固定化溶菌酶可廣泛用于制備抗菌膜。

圖8 石墨烯固定化溶菌酶示意圖[49]Fig.8 Schematic diagram of lysozyme immobilized on graphene[49]

殼聚糖(Chitosan，CS)具有優(yōu)異的抗菌性能、生物相容性、生物降解能力及與金屬結(jié)合的能力，但由于殼聚糖的機械強度較低，限制了殼聚糖的應(yīng)用，而石墨烯具備的強機械強度和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性使石墨烯成為了增強殼聚糖性能的優(yōu)異復(fù)合物。Lim等[50]以CS和GO為原料，采用水熱法制備出了CS-rGO復(fù)合薄膜，表征發(fā)現(xiàn)，使用較大面積GO為原料所制得的CS-rGO復(fù)合薄膜擁有著更好的拉伸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。在對復(fù)合材料的抗菌實驗中發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料在較低濃度下即可100%抑制細菌的生長，合成過程中氧化官能團的缺失使石墨烯片擁有更尖銳的邊緣，這些尖銳的邊緣使細菌受到第一次傷害，這些邊緣還可以更好地與細菌細胞膜進行電荷轉(zhuǎn)移，通過氧化應(yīng)激進一步破壞細菌，即使面對耐藥性最強的革蘭氏陰性菌——擁有四層保護膜的銅綠假單胞菌，該復(fù)合材料也可以將其殺死。CS-rGO復(fù)合薄膜因具有優(yōu)異的抗菌性能、拉伸穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，從而可以廣泛地應(yīng)用到水處理、分離膜、食品包裝、黏合劑、組織工程、醫(yī)療和制藥領(lǐng)域。

4 石墨烯的生物安全性

石墨烯材料在諸多領(lǐng)域均表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但隨著石墨烯應(yīng)用的日漸廣泛，其生物安全性也越來越受到人們關(guān)注。近年研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯及其衍生物對生物體有著不同程度的影響，Wu等[51]發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯可以與DNA發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成絡(luò)合物后可以阻止DNA被酶解，對DNA起保護作用，但在金屬Cu存在下氧化石墨烯會破壞DNA結(jié)構(gòu)[52]。Zhao等[53]通過研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯更容易與DNA中的A-T堿基對發(fā)生反應(yīng)。Alwarappan等[54]發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯表面的官能團可以與酶的胺基殘鍵結(jié)合，對酶進行修飾，使酶熱穩(wěn)定性及耐酸堿性能得到提升，這一特點使得石墨烯材料固定化生物酶成為可能，并可應(yīng)用于生物傳感器、污水處理及醫(yī)療領(lǐng)域。

石墨烯材料由于具有獨特的結(jié)構(gòu)，在與細胞進行相互作用時，可以影響細胞的運動、形態(tài)、增殖能力等一系列特性[55]，這種相互作用有些可以促進細胞的生長，但有些則會破壞細胞正常生理功能。Park等[56]發(fā)現(xiàn)，石墨烯材料具有很好的生物相容性，少突膠質(zhì)細胞可以在rGO上保持原有形態(tài)并且正常生長繁殖。Wang等[14]發(fā)現(xiàn)，石墨烯材料對細胞的毒性與石墨烯濃度有關(guān)，當氧化石墨烯質(zhì)量濃度高于50 μg/mL時，可以抑制成人纖維細胞生長；當其質(zhì)量濃度低于20 μg/mL時，不表現(xiàn)細胞毒性。Chang等[57]發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯在較高濃度時，可以依靠氧化應(yīng)激作用使細胞活性稍微降低，且細胞毒性隨氧化石墨烯尺寸的減小而降低。Liao等[58]發(fā)現(xiàn)，石墨烯在與人體血紅細胞接觸時會產(chǎn)生強烈的相互作用，使細胞破裂，對人體健康構(gòu)成了一定的威脅，且石墨烯停留時間較長，在血液中半衰期可達5.3 h，但石墨烯破壞細胞的機制還沒有明確的解釋。

Zhang等[59]使用放射性同位素標記氧化石墨烯，并將標記后的氧化石墨烯注入小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯主要集中在小鼠肺部，當氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)大于10 mg/kg時，小鼠肺部出現(xiàn)明顯病變。Li等[60]研究了石墨烯材料進入人體后的分布情況，發(fā)現(xiàn)石墨烯在較高濃度時，主要分布在人體肝臟中，其次是肺、脾、腎、胃、心，對人體健康造成影響，功能化的石墨烯能夠更容易被組織器官吸收，因此氧化石墨烯進入人體的幾率要大于石墨烯。Yang等[61]發(fā)現(xiàn)，受到石墨烯材料影響的組織器官在20 d后可以恢復(fù)原有健康，但氧化石墨烯直接進入肺部后可以引起肺的病變，這證明不同組織器官對石墨烯材料的抵抗能力不同。

石墨烯材料對生物體的影響具有兩面性，如何突出石墨烯材料的正面效應(yīng)，并有效地抑制石墨烯材料帶來的負面效應(yīng)，應(yīng)是當下石墨烯材料應(yīng)用發(fā)展亟需解決的一個問題。

5 結(jié) 論

(1)作為一種新興抗菌碳納米材料，石墨烯有著優(yōu)異的抗菌性能，利用石墨烯材料制備出的復(fù)合材料擁有抗菌性能強、作用時間久、拉伸穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，可制備成超濾膜、抗菌涂層等進行應(yīng)用?？咕?fù)合材料在未來還可廣泛應(yīng)用于水處理、生物醫(yī)療器械、制藥、食品包裝等領(lǐng)域。

(2)目前石墨烯的抗菌機理主要有四方面：物理切割作用、氧化應(yīng)激作用、隔離細菌作用、磷脂抽取作用。

(3)由于石墨烯制備方法的多種多樣，所制備出的石墨烯尺寸、表面電荷、官能團也多種多樣，這些因素均會影響石墨烯材料的抗菌性能。目前這些因素是如何影響石墨烯材料抗菌性能的并沒有明確解釋，對這一方面應(yīng)有更深入的研究。生物安全性問題也是當前石墨烯材料所面臨的重大問題之一，石墨烯材料對生物體內(nèi)大分子、細胞、組織器官均有著不同程度的毒性，如何解決石墨烯材料所帶來的負面效應(yīng)對石墨烯材料的應(yīng)用發(fā)展起著重要作用。

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ProgressintheApplicationofGrapheneandItsCompositesinAntibacterial

JIANG Guofei, LIU Fang, SUI Linlin, WANG Hongxi, WANG Yongqiang, ZHAO Chaocheng

(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China)

2016-10-21

中國石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新工程項目(YCX2017047)資助

姜國飛，男，碩士研究生，從事水污染控制及水資源回用研究

劉芳，女，教授，博士，從事水污染控制及水資源回用研究；Tel：0532-86984668；E-mail：liufangfw@163.com

1001-8719(2017)05-1017-12

X172

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.05.026