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13

2023

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06

重要发现!国际科学家团队解揭秘石墨烯的抗菌潜力

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石墨烯是人类已知的最薄的化合物,厚度仅为一个原子,为许多应用提供了解决方案。特别因其薄、轻、可持续的特性以及抗菌潜力而受到医疗用途的追捧。

最近,一个国际科学家团队在开发石墨烯未来在医疗保健应用中的抗菌潜力方面取得了重大进展。该团队由来自英国、塞浦路斯、奥地利、芬兰、荷兰和中国的科学家组成,他们创造了一系列具有不同表面氧含量 (SOC) 的石墨烯材料,并比较了它们的抗菌性能。他们发现石墨烯材料中的表面氧含量是决定其杀灭细菌效果的关键因素。发表在ACS nano上的研究结果可能有助于设计出更安全、更有效的产品来对抗抗菌素耐药性。

由于其独特的物理和化学特性,石墨烯在抗菌应用中显示出巨大的潜力

 

石墨烯在抗菌应用方面有何潜力?

  由于其独特的物理和化学性质,石墨烯在抗菌应用方面显示出巨大的潜力。作为抗菌剂,石墨烯材料 (GM) 可能比传统抗生素更具优势,因为它们相互作用的性质是物理的——这意味着石墨烯片包裹细菌或利用其锋利的边缘穿透细菌——而不是纯粹的分子机制的行动。这种物理相互作用意味着细菌对石墨烯产生耐药性的可能性更小,就像它们对滥用抗生素产生耐药性一样。

  已有研究表明,石墨烯及其衍生物对各种细菌、病毒和真菌具有广谱抗菌潜力。石墨烯可在许多应用中用作抗菌剂,包括:

  抗菌涂层:石墨烯可用于为医疗设备、食品包装和纺织品等表面制造抗菌涂层。这些涂层可以防止细菌在表面生长,降低感染风险;

  伤口愈合:石墨烯已被证明可以通过加速血管和皮肤细胞的形成来促进伤口愈合。它还可以防止伤口细菌感染,降低并发症的风险;

  水净化:氧化石墨烯可用于制造过滤器,去除水中的细菌和其他污染物。这些过滤器非常有效,有可能为偏远地区提供干净的饮用水。

 

研究团队最近对石墨烯抗菌潜力的研究结果?

  主要发现是石墨烯与细菌相互作用的方式(相互作用模式)高度依赖于表面的氧含量——表面氧含量 (SOC)。

  具有高 SOC 的石墨烯材料主要从悬浮液中平贴(平行于)细菌细胞表面。当 SOC 达到约 0.3(O 在总原子中的原子百分比)的阈值时,交互模式转变为边缘(垂直)交互。这种不同的相互作用模式与石墨烯材料的刚性高度相关。

  具有高 SOC 的氧化石墨烯 (GO) 非常灵活,因此可以包裹细菌,而具有较低 SOC 的还原 GO (rGO) 更坚硬,因此往往会通过其边缘与细菌接触。

  这两种模式都不一定能杀死细菌,但杀菌活性取决于石墨烯材料与周围生物分子的相互作用,这也表明了一种化学机制。

  这些发现表明,石墨烯材料SOC的变化决定了材料的刚性程度,是驱动与细菌相互作用模式的关键因素,从而有助于理解导致其抗菌作用的不同可能物理机制。SOC 可作为设计有效抗菌剂的关键因素。

 

研究结果有何意义?

  关于 GM 的抗菌潜力是源于平行相互作用还是垂直相互作用,或者它们的组合的基本问题已经通过这项工作得到澄清;这两种模式都有助于石墨烯材料的抗菌活性,这取决于表面氧含量,这会影响材料的刚性,从而影响材料是与细菌的边缘相互作用(低SOC的氧化石墨烯),还是以侧面的方式包裹细菌(高SOC的氧化石墨烯)。这一发现彻底改变了我们对石墨烯与细菌相互作用的理解。

  例如,经常有人提出,大的石墨烯片包裹着细菌,而小的石墨烯片倾向于用侧边切割细菌。我们的研究结果表明,在相互作用模式中,片材尺寸并不是决定因素,而是片材的刚度,这是由材料的SOC决定的。

 

这些发现对石墨烯的未来应用意味着什么?

  这些发现表明,石墨烯材料 SOC 的变化是驱动它们与细菌相互作用模式的关键因素。SOC 可作为设计有效抗菌剂的关键因素。例如,如果将石墨烯用于有机物含量高的废水处理,则可能会优先使用 SOC 低、刚性高的石墨烯。

选择低 SOC 石墨烯 (rGO) 用于废水处理的主要原因是我们的研究结果还表明,培养基中存在的蛋白质与石墨烯表面结合,降低或使高有机碳的石墨烯材料的抗菌作用失活,并成为细菌生长的平台。

  然而,在低 SOC 下,抗菌活性仍然很高,因为在低荷电性的石墨烯材料中,蛋白质与材料结合的位点较少,只有边缘允许结合。SOC 诱导的切换阈值将根据其他固有材料参数(例如横向尺寸和厚度)而变化——因此,需要针对特定应用中使用的特定石墨烯材料明确确定 SOC 和切换阈值,以优化特定测试条件下的抗菌活性。

 

下一步研究是什么?

  下一步是将这一发现用于不同的应用场景。例如,在用于废水处理和低成本水净化的膜,这是支持联合国可持续发展目标 6“人人享有清洁水”的工作的一部分。

  还在探索利用这些材料开发伤口敷料的潜力——特别是针对烧伤,感染是愈合过程中的主要问题,尤其是大面积烧伤。使用 SOC 定制的石墨烯材料作为伤口敷料的成分在两个方面提供了希望——在高 SOC 下促进细胞生长和在低 SOC 下抗菌。

  同样,可以开发用于糖尿病伤口、压疮或静脉溃疡等非愈合性损伤的敷料——这些是一个至关重要的医疗保健问题,因为在大多数临床病例中,它们会由于无效的愈合程序而逐渐变成慢性病。

 

信息来源:中国复合材料学会

 

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