行業(yè)資訊
石墨烯攜手銅離子：高效抗菌、對(duì)動(dòng)物無毒
石墨烯大量吸附銅離子而實(shí)現(xiàn)選擇性的顯著抗菌活性 揚(yáng)州大學(xué)供圖
細(xì)菌感染及其耐藥性問題是世界上最大公共衛(wèi)生威脅之一，如何增強(qiáng)抗菌活性同時(shí)盡可能減少環(huán)境毒性為其關(guān)鍵問題之一。銅抗菌活性雖自古就為人所知，然而，過量銅離子本身具極強(qiáng)毒性而威脅環(huán)境安全。
近日，揚(yáng)州大學(xué)涂育松課題組、復(fù)旦大學(xué)譚硯文課題組和華東理工大學(xué)方海平課題組合作，利用銅離子功能化石墨烯實(shí)現(xiàn)選擇性的顯著抗菌活性，相比環(huán)境銅離子而言，其抗菌活性提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。而在極大地增強(qiáng)石墨烯抗菌活性的同時(shí)，對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞表現(xiàn)為無毒性。相關(guān)論文發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》。
涂育松介紹，他與合作者在前期研究石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜上的磷脂分子會(huì)被石墨烯抽取，導(dǎo)致細(xì)胞膜的破壞，他們因此提出一種可能的石墨烯抗菌分子機(jī)制。
此抗菌分子機(jī)制迅速引起國內(nèi)外同行廣泛關(guān)注，科學(xué)家多方面嘗試通過功能化石墨烯來增強(qiáng)其抗菌活性，包括交聯(lián)高分子聚合物或調(diào)控石墨烯邊緣取向排列等，但增強(qiáng)效果均未能超過兩倍。
在最新成果中，他們提出利用銅離子來功能化石墨烯的抗菌機(jī)制。理論計(jì)算表明，石墨烯通過銅離子與石墨烯之間的離子π相互作用，大量吸附銅離子形成石墨烯銅離子復(fù)合物；通過帶有正電的石墨烯銅離子復(fù)合物與帶有負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞膜之間靜電作用，石墨烯展現(xiàn)獨(dú)特功能性，即不僅快速將銅離子大量運(yùn)送并富集于細(xì)菌表面，而且離子π的相互作用可讓銅離子價(jià)態(tài)從+2價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)?1，從而實(shí)現(xiàn)顯著抗菌活性。
進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，功能化石墨烯吸附銅離子，致使環(huán)境中銅離子濃度低于0.5 μM，達(dá)到國家地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；抗菌實(shí)驗(yàn)表明，銅離子功能化石墨烯極大地增強(qiáng)了石墨烯的抗菌活性，相比環(huán)境銅離子而言，其抗菌活性提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
FE-SEM和XPS實(shí)驗(yàn)也分別證明石墨烯將銅離子大量運(yùn)送并富集細(xì)菌表面以及吸附在石墨烯上銅離子價(jià)態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而證實(shí)了理論預(yù)測(cè)的石墨烯功能性抗菌機(jī)制。
通過對(duì)比殺死藻類細(xì)胞以及哺乳動(dòng)物細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)，這一抗菌機(jī)制對(duì)帶負(fù)電的細(xì)胞是有效的，而對(duì)于本身為電中性的哺乳動(dòng)物細(xì)胞而言并不起作用，因此實(shí)現(xiàn)了選擇性的顯著抗菌活性。
涂育松說，由于病變細(xì)胞如癌細(xì)胞等同樣帶有負(fù)電，所以該類石墨烯功能性抗菌機(jī)制也為高效和選擇性的抗癌活性設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。
石墨烯本身易制備同時(shí)還可通過離心或過濾等簡單手段移除，因此，利用銅離子功能化石墨烯的抗菌機(jī)制可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制備廉價(jià)、方便、高效、廣譜和環(huán)保，將可成為具有巨大應(yīng)用前景的抗菌材料。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目、上海市科技重大專項(xiàng)以及廣州超算中心的資助和支持。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202008018
