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，一個國際科學家團隊在開發(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展。該團隊由來自英國、塞浦路斯、奧地利、芬蘭、荷蘭和中國的科學家組成，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？

由于其獨特的物理和化學性質(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菌或利用其鋒利的邊緣穿透細菌——而不是純粹的分子機制的行動。這種物理相互作用意味著細菌對石墨烯產(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菌在表面生長，降低感染風險；

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

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

研究團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）細菌細胞表面。當 SOC 達到約 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菌接觸。

這兩種模式都不一定能殺死細菌，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機制。

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)動與細菌相互作用模式的關(guān)鍵因素，從而有助于理解導致其抗菌作用的不同可能物理機制。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菌，而小的石墨烯片傾向于用側(cè)邊切割細菌。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。

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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，降低或使高有機碳的石墨烯材料的抗菌作用失活，并成為細菌生長的平臺。

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)合的位點較少，只有邊緣允許結(jié)合。SOC 誘導的切換閾值將根據(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 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 下促進細胞生長和在低 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。