石墨烯尺寸对杀菌性能影响研究

GO的杀菌性能与其尺寸、形状及氧化程度密切相关，GO通过损坏细胞达到杀菌效果。细胞壁和细胞膜是细胞的保护层，探究GO与它们之间的相互作用尤为重要。GO是二维纳米材料，纵向为纳米级尺寸。随着层数的增加，GO发生团聚的倾向性增加，GO的团聚会降低GO与细菌的接触面积，进而降低GO的杀菌性能。实验结果表明，单层GO的杀菌性能要优于多层GO。

Guo等利用耗散粒子动力学的方法模拟石墨烯穿过磷脂双分子层，并探究了石墨烯的尺寸和形状对这一过程的影响。结果表明，石墨烯的尺寸影响了穿透的方式，石墨烯的形状决定了穿透的速率。如图6-1所示，小尺寸的石墨烯片会在侧压的驱动下通过插入或旋转的形式穿透细胞膜，而大尺寸的石墨烯片主要通过形成囊泡的方式进行移位。圆形的石墨烯片边缘较平滑，移位速率较快。Li等将分子动力学的理论方法与实验方法相结合，探究了石墨烯片与细胞脂质双层的相互作用。研究结果表明，横向尺寸为0.5～10μm的少数层石墨烯片会完全被细胞内化，但是石墨烯片需要一定的迁移能量完成细胞内化过程。石墨烯片的不规则结构使其具有丰富的表面凸起和尖锐的边缘，这些部位首先刺穿细胞膜，随后内化的石墨烯面积再不断扩张至完全被细胞内化。

图6-1　不同尺寸和形状的石墨烯片与细胞脂质双层的相互作用

GO的横向尺寸也对其杀菌性能有很大影响。横向尺寸直接影响着GO的吸附性、分散性及边缘结构。GO的横向尺寸越大，越容易与细菌发生相互作用而表现出更高的杀菌活性。当横向尺寸降至纳米级时，GO的亲水性和生物相容性会提高，同时杀菌活性会大幅降低。但是在横向尺寸为0.01～0.65μm时，小片GO的杀菌性能随着横向尺寸的增加而增加，这可能是因为实验中使用的GO有一定的缺陷，增加了其活性。这也说明横向尺寸不是唯一影响GO杀菌性能的因素。GO的杀菌性能还与其表面曲率有关，也与细菌的形状有关（图6-2）。由GO制备得到的石墨烯量子点的高斯曲率为0，而通过断裂C60制备得到的石墨烯量子点具有非零高斯曲率。这两种不同曲率的石墨烯量子点表现出了不同的杀菌性能。C60石墨烯量子点可以有效地杀死球形细菌，但是对棒状细菌没有明显的杀菌效果，而GO石墨烯量子点对这两种形状的细菌均无杀菌作用。

图6-2　石墨烯量子点和细菌的表面曲率对石墨烯杀菌性能的影响(www.xing528.com)

GO的杀菌性能与其氧化程度密切相关。Chen等也利用分子动力学模拟了石墨烯和GO与细胞膜之间的相互作用。结果表明，石墨烯可以轻易地穿过细胞膜，且不对细胞膜的完整性产生任何影响，这主要是因为石墨烯与脂质之间的疏水作用。然而GO无法穿过细胞膜，而是停留在水-膜界面，这主要是因为GO的亲水性。当GO与细胞膜发生接触时，细胞膜发生破裂，一些脂质会从细胞膜转移到GO表面，最终在细胞膜上形成小孔同时水分子会流进细胞膜（图6-3）。石墨烯和GO与细胞膜相互作用的不同主要源于GO大量的含氧官能团。这些含氧官能团增强了GO对脂质的作用。而能量分析结果表明，GO的细胞毒性主要源于GO的疏水部分与细胞膜脂质分子的相互作用，所以GO的含氧官能团又成为其具有较高生物相容性的原因。

图6-3

（a）～（d）将GO平行放置于膜中心；（e）～（h）将GO垂直放置于膜中心；（b）（f）模拟出的最终构象；（c）（g）水分布的侧视图；（d）（h）双分子膜的俯视图，其中黑色圆圈指示孔洞

Liu等的研究结果表明，与rGO、石墨和氧化石墨相比，GO表现出了较高的杀菌活性。排除其他因素的干扰，GO组中大肠杆菌的失活率高达69.3％，约是氧化石墨组失活率的4倍（15.0％），其余两组中细菌的失活率分别为45.9％（rGO）和26.1％（石墨）。GO和rGO的杀菌性明显高于石墨和氧化石墨。Hu等也比较了GO与rGO的杀菌性能。实验中还比较了用真空抽滤法得到的宏观无支撑物的GO纸和rGO纸的杀菌性能。GO纸表现出了更高的杀菌活性，这主要是因为GO含有更多的表面电荷和含氧官能团。但是在Akhavan和Ghaderi的研究中，与GO相比，rGO组中材料与生物的界面表现出了更优异的电荷转移性能，这使得其比GO具有更强的杀菌活性。Chong等探究了模拟太阳光照射下，GO杀菌性能的变化。太阳光的引入，使得GO表面产生了电子-空穴对，引发了GO的还原反应，同时产生了以碳为核心的自由基团，提高了GO的杀菌活性。为进一步明确GO的官能化对其杀菌性能的影响，Li等制备了一系列含有不同官能团的GO纳米片。结果表明，利用NaOH溶液制备得到的GO具有最高的碳自由基密度和最优异的杀菌性能，可见碳自由基对GO的杀菌性能有一定的影响。