石墨烯材料的特性与抗菌性相关

石墨烯基材料的抗菌性与纳米薄片的尺寸和浓度、比表面积、表面粗糙度、分散性和厚度、亲水性、功能化等方面有关，并且以上特性有可能单独地或交互地影响石墨烯基材料与细菌细胞之间的相互作用。各性质对细菌细胞活力的影响如图8-1所示，将在以下各小节中详述。

图8-1　与抗菌性相关的石墨烯基材料的部分理化性质[9]

研究表明石墨烯基材料的抗菌活性受纳米薄片尺寸的影响。对石墨烯基表面涂层来说，较小尺寸的薄片能增强抗菌活性。研究人员通过对石墨烯薄片与细菌细胞膜相互作用的仿真，对这一现象进行了研究，发现尺寸较小的石墨烯薄片更容易破坏细菌膜的磷脂双分子层，当它们破坏细胞膜时会翻转部分磷脂，而尺寸较大的石墨烯薄片会在细胞膜上保持平坦，当薄片的表面积从0.65 μm2下降到0.01 μm2时，石墨烯表面涂层的抗菌活性提高了4倍[10]。较小尺寸的薄片有较好的抗菌效果，另一个原因是其缺陷过密而产生的氧化应激机制。此外，在细胞悬浮液中，由于细胞的包裹机制，GO薄片会阻碍细菌的生长，在这样的环境下，GO的抗菌活性随着薄片的横向尺寸的增大而增大，实验表明当薄片的表面尺寸为0.65 μm2，孵化时间为3h时，可完全抑制细菌细胞的生长。当用大肠杆菌细胞评估横向尺寸不同的GO薄片的抗菌活性时，观察到相似的相关性[11]。具有更大横向尺寸的GO薄片，相比较小尺寸的GO表现出强大的瞬时杀菌活性。然而，由于对细菌的包裹行为是可逆的，因此GO这里的抗菌效果并不是杀死细菌，更准确的表述应该是抑菌性。石墨烯纳米薄片的尺寸还决定了细菌的内吞和其他一些与尺寸有关的生物学现象[12]。当石墨烯薄片的横向尺寸为10nm～20 μm，或者更大时，这大于一般的细菌细胞尺寸[13]。此外，石墨烯薄片的横向尺寸、层数对其柔性有很大的影响，从而影响和细菌之间的相互作用。总的来说，锋利边缘、小尺寸和粗糙表面的石墨烯薄片相比于大尺寸的、光滑表面的石墨烯薄片更能促进其内化进入细菌细胞[14]。

此外，关于石墨烯基材料的浓度对抗菌活性影响的研究也有很多。当大肠杆菌细胞暴露在不同浓度（5 μg／mL、10 μg／mL、20 μg／mL、40 μg／mL和80 μg／mL）的GO悬浮液中时，细菌的死亡率随GO浓度的增加而增加，当GO浓度达到80 μg／mL时，大肠杆菌的死亡率超过90%[15]。类似地，当rGO悬浮液浓度为80 μg／mL时，可根除76.8%的大肠杆菌细胞[6]。此外，研究人员进一步研究了石墨烯基材料的浓度（25~200 μg／mL）对铜绿假单胞菌抗菌效果的影响[16]，发现当GO浓度升高为75 μg／mL或rGO浓度升高为100 μg／mL时，铜绿假单胞菌逐渐丧失活力。以上结果表明，80 μg／mL 是GO表现显著的抗菌活性（细菌死亡率大于90%）的阈值浓度，rGO则是100 μg／mL。

纳米材料与细菌的相互作用很大程度上与纳米材料的表面性质有关。小的纳米颗粒（小于10nm）通常会暴露出一部分原子表面。对于单层石墨烯，每个C原子都位于表面，理论计算得到的石墨烯比表面积可高达2630m2／g[17]，这远远高于其他在微生物系统中已经研究过的纳米材料的比表面积。单层GO也具有可比拟的比表面积。此外，石墨烯薄片的层数也是一个重要参数，因为该指标决定了抗弯刚度和比表面积，石墨烯薄片的层数越少，其对生物分子的吸收容量越大。(www.xing528.com)

材料的表面拓扑结构（粗糙度）是影响材料与细菌细胞相互作用的重要因素，表面形貌特征包括在材料制备过程中表面产生的峰和谷。增加材料的表面粗糙度会使细菌细胞的黏附性增强，大的比表面积、深沟壑形貌都会对细菌细胞有更好的锚定作用。抑制细菌附着的能力的表面和抑菌表面（指表面能有效地根除与之接触的细菌细胞）之间存在差异[18]，尽管上述两个表面通常都被归类为有抗菌作用。有些表面的官能团、表面形貌能增强细菌细胞膜的通透性，从而破坏细菌细胞，显示出强大的抗菌作用。通常，这样的官能化表面具有相当大的粗糙度或脊状物，其在接触细菌细胞时可引起细菌细胞壁的破裂[18]。虽然石墨烯薄片的边缘遵循这类机制，但它们的基面在原子水平被看作是平滑的。因此，石墨烯与细菌细胞的相互作用在很大程度上取决于石墨烯基材料与细菌接触的具体位置。

当球形纳米颗粒分散在介质中时会倾向于聚集在一起，生成的纳米颗粒团的有效尺寸变大，但仍然可以基本保持有效比表面积不变。它们能够通过球体表面的任何一个接触点附着到另一个纳米颗粒球体的表面而发生聚集，但当球形纳米颗粒发生溶解、再沉淀时，会导致两球形纳米颗粒的部分融合。相反，薄片材料通常是面与面的堆叠接触，在过滤或离心过程中产生不可逆的聚集，这会导致部分表面积的损失。由于GO具有大量亲水官能团，如羟基、羧基，所以其具有良好的分散性和稳定性，这也是GO比rGO抗菌性更好的原因之一。rGO纳米薄片是由GO纳米薄片还原以后而形成的，相对GO纳米薄片，rGO纳米薄片的尺寸约为GO纳米薄片的九倍，因此，rGO纳米薄片更容易发生聚集，导致rGO的抗菌活性降低。为了解石墨烯的厚度（如单层与多层石墨烯）与抗菌性的关系，研究者采用动态模拟的方法，比较了不同层数的石墨烯（指本征石墨烯）纳米薄片与细胞膜中磷脂双分子层之间的相互作用，发现单层和少层的石墨烯纳米薄片竟然可以穿刺入细胞膜的双层结构内，并可在双层结构的中间平行展开[19]。

基底表面对细菌细胞的黏附性及其对生物膜的集聚能力都受到基底材料化学性质的影响。GO薄片具有两亲性，表面某些地方具有亲水性斑点，与水的接触角为40°～50°[20]。而石墨烯薄片具有疏水表面，与水的接触角约为90°。通常，由于疏水相互作用，细菌细胞对疏水表面具有更高的亲和力，当然这也取决于被测试的细菌类型。通过使用高分子材料，如聚乙二醇（PEG），可以将石墨烯表面改性至亲水性，该方法是获得抗菌表面的有效途径之一。然而，一些聚合物链在高离子强度下会脱水，导致在这样的表面上抗细菌黏附的效率降低[21]。一般认为，在疏水表面上发生的快速吸附伴随着强的结合力，吸附之后难以发生解吸附，这与遵循可逆／不可逆黏附模型的亲水性表面黏附作用刚好相反。细菌黏附的初始阶段，细菌细胞与基底一般相距几纳米，这个阶段的吸附是易受损害的、可逆的，由于剪切力或者自发解吸附作用，细菌细胞会与基底分离。随后，细菌细胞释放出胞外生物聚合物或与基底聚合物稳定结合，导致黏附过程不可逆，吸附的水被上述桥接聚合物所取代（相隔间距＜1nm），同时伴随着静电斥力的中和作用[22]。在水环境中，细菌的表面黏附通常通过细胞壁中的疏水基团（非极性表面蛋白）来实现，它们帮助细胞与基底接触，以及选择与细胞相互作用的聚合物。带有不同官能团的聚合物与基底表面发生的相互作用也不同，一般来说，疏水性细菌在疏水表面上的黏附能力通常大于亲水性细菌细胞。

某些种类的细菌，其细胞黏附性可能与材料表面化学性质有关，因为细菌细胞壁中的酸性／碱性官能团的电离／离子化与表面电荷有关。一般来说，细菌的细胞壁在pH为中性的悬浮液中具有负电荷。但是，不同种类的细菌具有不同的电荷水平，且受多个因素（如培养时长、培养基的营养、离子强度、细胞的表面结构与环境pH）的影响。最近新研发出了几种表面改性（或表面处理）石墨烯的方法，以获得可调节电荷的材料表面，这些技术包括功能化、衍生化和表面聚合，以上方法均为采用化学法来改变材料的表面性质。GO薄片的表面具有某些疏水性区域或者某些亲水性的区域，且GO薄片的边缘含有负电荷与羧基，使得其表面可形成氢键或与金属离子发生络合反应[23]。相反，疏水性的石墨烯薄片表面只有缺陷位点或边缘能够发生生化反应。rGO由于其在制备过程中的除氧环节会引入缺陷点，使其自然地具有反应活性。