氧化石墨烯的抗菌抗病毒機理與應(yīng)用探究

姚誠凱 陳 琛 韓 燚 孫海燕 王勇霖 高 超,2

1.杭州高烯科技有限公司 浙江 杭州 311113

2.廈門大學(xué)石墨烯工程與產(chǎn)業(yè)研究院 浙江 杭州 361102

1 石墨烯材料簡介

石墨烯(Graphene)是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料。[1]石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能,在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等領(lǐng)域都有無可比擬的應(yīng)用價值。[2]不同于傳統(tǒng)的任何一種材料,石墨烯材料集高機械強度、高穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性、量子反?；魻栃?yīng)、高比表面積、吸附脫附性、氧化還原能力、阻燃性、抗微生物活性、生物相容性、遠(yuǎn)紅外發(fā)射、紫外防護(hù)、負(fù)離子發(fā)生、耐腐蝕等性能于一身,如今甚至在高溫超導(dǎo)、癌癥治療、超級電容器、量子器件等方面嶄露頭角,可以說是材料界的“無冕之王”,在越來越多的研究領(lǐng)域中都被寄以厚望。

2 抗菌劑發(fā)展簡述

抗菌劑主要可以分為無機、有機和天然三種。早期抗菌劑基本都屬于有機物,大多是含氮、硫、氯等元素的各類復(fù)雜化合物,這類抗菌劑可通過靜電作用抓取細(xì)菌,改變細(xì)胞膜通透性或使蛋白質(zhì)變性,短期殺菌效果好,但大多都有耐熱穩(wěn)定性差、壽命短等缺點。此外,這類抗菌劑存在致命缺陷,即具有溶出性,在接觸人體或其他含水環(huán)境時,溶出型抗菌劑會逐漸釋放,對使用者的健康造成直接威脅。盡管非常適合一些國家標(biāo)準(zhǔn)的檢測,但溶出性抗菌劑在技術(shù)成熟的今天已經(jīng)沒有競爭力,僅在抗菌噴霧的市場中存有一席之地。

取代有機抗菌劑的是近年來聞名遐邇的無機納米抗菌劑,其中金屬納米材料尤其是銀離子抗菌劑獨占鰲頭,成為了近年來的行業(yè)熱門和研究焦點。大量文獻(xiàn)表明:納米銀抗菌劑的抗菌能力主要來自銀離子,其作用主要集中在以下三個方面:1、穿透細(xì)胞壁,進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)降解染色體;2、與蛋白質(zhì)和酶肽鏈上的巰基反應(yīng),干擾呼吸鏈,破壞細(xì)胞壁;3、引起氧化應(yīng)激,使脂質(zhì)過氧化,抑制ATP產(chǎn)生和DNA復(fù)制。[3]然而,隨著機理的深入研究,銀納米材料的缺點也逐漸暴露出來。其會持續(xù)釋放出銀離子,銀離子的尺寸極小,不僅有殺菌性能,還會進(jìn)入人體,損傷人體細(xì)胞,并在人體內(nèi)積累。這種機制會導(dǎo)致銀系抗菌紡織品中的銀持續(xù)流失,產(chǎn)品本身逐漸失效,而釋放的銀離子作為重金屬,不管是進(jìn)入人體還是環(huán)境,均是違背健康和環(huán)保理念的。銀納米材料的崛起依靠的是概念的先進(jìn)性和其所向披靡的抗菌效果,但是在熱潮消散后,綜合考慮安全性,不少國家已經(jīng)限制使用。

此外,納米氧化鋅、氧化鈦、氧化銀等作為光催化劑也是前沿的抗菌添加劑。通過陽光照射,這些半導(dǎo)體材料會被激發(fā),產(chǎn)生具有強氧化能力的空穴和強還原能力的電子,與空氣中的水和氧分子結(jié)合形成羥基自由基和超氧自由基,氧化分解微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸及糖苷等物質(zhì),加速細(xì)菌的死亡。光催化是非常穩(wěn)定且高效的方法,且利用太陽能,符合綠色環(huán)保的理念。然而,其致命缺陷在于,整個催化過程需要外部光能激活,一旦失去強光源,這類材料就會罷工,于現(xiàn)代人的生活習(xí)性而言,光催化劑并不是契合的抗菌劑。

而隨著人們環(huán)保意識的增強和對"綠色"產(chǎn)品的渴望,天然抗菌劑越來越引起人們的關(guān)注。天然抗菌劑中,從動物中提取的主要有甲殼質(zhì)、殼聚糖和昆蟲抗菌性蛋由質(zhì)等,從植物中提取的主要有棕櫚油、椰子油、檜柏、艾篙、蘆薈等,還有從礦物中提取的抗菌劑。[4]雖然這類抗菌劑的抗菌效果良好且安全無污染,但是不菲的提取成本、添加量的限制和本身較差的耐久性致使其還僅存于實驗研究階段,難以做到工業(yè)化規(guī)模的生產(chǎn)。

綜上所述,抗菌劑的發(fā)展遵循“研究-應(yīng)用-取代”的模式,人們致力于確?？咕阅艿幕A(chǔ)上盡量規(guī)避材料本身的缺陷,這也是氧化石墨烯璀璨登場的必然條件。

3 氧化石墨烯的抗菌機理

氧化石墨烯(Graphene Oxide,以下簡稱GO)是石墨烯的氧化物,除晶格缺陷外,GO表面含有豐富的含氧官能團(tuán),如羧基、羥基等。近年來的研究發(fā)現(xiàn),氧化石墨烯可通過與細(xì)菌直接接觸時的物理和化學(xué)相互作用產(chǎn)生高效地抗菌活性。實驗和模擬計算結(jié)果表明,GO特殊的二維結(jié)構(gòu)和表面所攜帶的含氧官能團(tuán)是其能夠限制細(xì)菌存活的主要因素。如圖1所示,一方面,基于碳原子的sp2雜化和單雙鍵交替的共軛體系,GO呈現(xiàn)出二維納米片的優(yōu)良特性,即超大的橫向尺寸、超薄的厚度、極佳的柔性和極高的強度。當(dāng)與細(xì)菌接觸時,GO可以很大范圍地覆蓋、甚至包裹細(xì)菌,使其與外界適宜的生長環(huán)境隔絕,高阻隔性的GO會阻塞細(xì)菌的離子通道,失去外界養(yǎng)分支持的細(xì)菌就會逐漸死亡;而當(dāng)細(xì)菌接觸GO鋒利的邊緣時,其細(xì)胞壁易被劃破、刺穿,細(xì)胞質(zhì)的流失會導(dǎo)致細(xì)菌的直接死亡,這種效應(yīng)在文獻(xiàn)中被形象地命名為“納米刀效應(yīng)”(Nano-Knife),是GO抑菌的主要物理因素。[5]另一方面,GO表面經(jīng)氧化而含有豐富的含氧官能團(tuán)(羥基、羧基、環(huán)氧基等),這些官能團(tuán)使GO表面帶負(fù)電,在與細(xì)菌表面的磷脂層接觸后會形成氫鍵并產(chǎn)生靜電吸附作用,即便細(xì)菌的鞭毛有一定運動能力,也難以逃脫束縛。靜電作用還會影響其細(xì)胞膜的膜電位,造成膜的功能性損傷;而GO邊緣的官能團(tuán)會在劃破細(xì)菌的細(xì)胞膜后進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部,與呼吸酶系統(tǒng)相互作用,產(chǎn)生活性氧自由基(ROS),如過氧化氫(H2O2)、羥基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2-),引起細(xì)菌的氧化應(yīng)激,導(dǎo)致其蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸的氧化,并最終導(dǎo)致膜老化和細(xì)菌死亡,是GO抗菌的主要化學(xué)因素。綜上所述,GO的厚度、尺寸和氧化程度是影響其抗菌性能的主要因素。

圖1 氧化石墨烯的抗菌機理[6]

4 石墨烯抗病毒機理

病毒是一種個體微小,結(jié)構(gòu)簡單,只含一種核酸(DNA或RNA),必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生并以復(fù)制方式增殖的非細(xì)胞型生物。病毒是一種非細(xì)胞生命形態(tài),它由一個核酸長鏈和蛋白質(zhì)外殼構(gòu)成,病毒沒有自己的代謝機構(gòu),沒有酶系統(tǒng)。因此病毒離開了宿主細(xì)胞,就成了沒有任何生命活動、也不能獨立自我繁殖的化學(xué)物質(zhì)。它的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、和轉(zhuǎn)譯的能力都是在宿主細(xì)胞中進(jìn)行,當(dāng)它進(jìn)入宿主細(xì)胞后,它就可以利用細(xì)胞中的物質(zhì)和能量完成生命活動,按照它自己的核酸所包含的遺傳信息產(chǎn)生和它一樣的新一代病毒。

與抗菌機制類似,氧化石墨烯可以抑制病毒感染細(xì)胞,其機理在于:1、表面的官能團(tuán)呈電負(fù)性,可以吸附一般表面帶正電的包膜病毒;2、面內(nèi)共軛體系的親脂性較好,易與包膜中的脂質(zhì)尾作用;3、以上兩點共同作用易引起包膜破裂,加速病毒失活;4、柔性好、單層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯會覆蓋病毒表面,阻止其進(jìn)入細(xì)胞,降低感染率;5、氧化石墨烯進(jìn)入細(xì)胞還會引起細(xì)胞自身應(yīng)激,阻止病毒RNA轉(zhuǎn)錄。與傳統(tǒng)抗生素的毒性機制對比,氧化石墨烯無疑是更安全、更具應(yīng)用價值的選擇。

5 氧化石墨烯在抗菌抗病毒領(lǐng)域的應(yīng)用探究

綜上所述,氧化石墨烯在抗菌、抗病毒方面的優(yōu)勢完全符合目前市場優(yōu)勝劣汰的要求。杭州高烯科技有限公司通過“原位聚合法”制造的單層氧化石墨烯復(fù)合纖維就是將石墨烯的優(yōu)點帶入人們?nèi)粘Ｉ畹囊淮纬晒Φ膰L試。氧化石墨烯通過共價鍵的方式參與纖維的組成,不僅能讓紡織品具有恒久有效的抗菌、抗病毒性能,還不會脫離流失,對人體和環(huán)境造成危害。高烯科技通過《ISO 18184-2014紡織品抗病毒活性測定》方法檢定了石墨烯錦綸面料對肺炎克雷伯菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌、甲型H1N1流感病毒的滅殺能力,結(jié)果如圖3所示,殺菌率均高于99.9%,病毒平均滅活對數(shù)值達(dá)到4.00,可達(dá)到國家衛(wèi)生部《消毒技術(shù)規(guī)范》的消毒要求。石墨烯復(fù)合纖維不僅在抗菌抗病毒性能上可以和重金屬納米材料分庭抗禮,還不具有溶出性,這極大提升了紡織品本身的安全性和性能的持久性。此外,氧化石墨烯不僅在抗菌方面嶄露頭角,在遠(yuǎn)紅外發(fā)射、負(fù)離子發(fā)生、紫外防護(hù)、抑塵螨、抗靜電等方面也天賦異稟,是目前最契合多功能紡織品的材料。相信在不遠(yuǎn)的將來氧化石墨烯復(fù)合纖維產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于生活的各個場景中。

6 總結(jié)

石墨烯,自誕生以來就被冠以“材料之王”的美譽,從學(xué)術(shù)界的蓬勃發(fā)展來看,它的確有著無以倫比的魅力與潛力,但是石墨烯產(chǎn)品卻始終沒有進(jìn)入普通大眾的視野。通過分析以往的抗菌抗病毒方案的優(yōu)缺點,以及對比氧化石墨烯的抗菌抗病毒機理,不難發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯具有性能持久、耐水洗、非溶出、抗菌抗病毒活性高、穩(wěn)定性強等諸多優(yōu)勢,是新一代抗菌添加劑的不二之選。在新冠病毒肆虐的當(dāng)下,剛好為氧化石墨烯復(fù)合纖維的發(fā)展提供了契機,在未來的不斷開發(fā)和改進(jìn)中能夠進(jìn)一步提升氧化石墨烯的抗菌抗病毒性能,為應(yīng)對公共醫(yī)療危機、保護(hù)人類生命安全提供保障。