石墨烯抗菌抗病毒研究進展
金秀龍 博士
上海烯望材料科技有限公司
【引言】
近年來，各種抗生素藥物的濫用導致致病細菌和病毒出現(xiàn)了頑強的耐藥性，因此，開發(fā)設計新的廣譜高效、低成本、低風險和簡單易得的抗菌抗病毒成分就顯得尤為重要[1]。金屬和碳納米材料憑借其合成簡單、結構性能高度可調、抗菌性能優(yōu)異等特性已經被廣泛的應用到抗菌抗病毒領域[2,3]。石墨烯及其衍生物作為一類重要的新興二維多功能納米材料，以其優(yōu)異的廣譜抗菌抗病毒能力、不會誘導細菌產生耐藥性、制備工藝簡單、較好的生物相容性等優(yōu)點[4,5]，相對于傳統(tǒng)抗菌抗病毒成分，在生物醫(yī)學、家居紡織、建筑工程等領域均表現(xiàn)出良好的應用潛力。
【石墨烯材料抗菌抗病毒機制】
石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯及其衍生物,如石墨烯(G)、氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)，均具有獨特的二維表面化學結構和尖銳的物理邊緣結構，其中，GO是目前研究最多的一類抗菌抗病毒石墨烯材料[6,7]。根據報道，石墨烯材料的抗菌抗病毒能力主要基于以下幾種機制的混合協(xié)同作用：1）物理切割，也稱納米刀（Nano-Knives），石墨烯材料尖銳物理邊緣可有效切割細菌病毒表面，破壞細胞壁和膜結構，造成胞內物質泄漏和代謝紊亂，最終導致細菌病毒死亡，是石墨烯材料的主要抗菌抗病毒機制之一[8,9]；2）膜表面成分提?。↖nsertion and Extraction），石墨烯材料具有大的比表面積和疏水性，可以有效通過接觸或插入方式吸附結合細菌病毒表面的磷脂分子，從而破壞其細胞膜結構引起細菌病毒死亡[10]；3）物理捕獲（Wrapping），石墨烯材料會通過包裹方式將細菌同周圍介質隔離，進而阻斷其增殖，起到抑菌作用[11]；4）氧化應激作用（ROS），在同細菌接觸過程中，石墨烯表面缺陷和尖銳的邊緣結構均會誘導細菌產生活性氧成分，從而導致其正常生理代謝紊亂，造成細菌死亡[12,13](圖1)。除了上述主要抗菌抗病毒機制外，電荷傳導也是重要的石墨烯抗菌機制，該機制通過石墨烯傳導細菌表面電荷，破壞細胞膜的生理活動和功能，造成細菌代謝紊亂，進而促進細菌死亡[14]。
圖1.石墨烯材料抗菌主要機制[7]
【石墨烯材料抗菌抗病毒研究現(xiàn)狀】
2010年以來，基于石墨烯良好的抗菌性能，大量有關石墨烯及其復合抗菌材料的研究工作被報道，進一步證實了石墨烯材料在抗菌方面應用的巨大潛力。同時作為新的應用方向，石墨烯材料的抗病毒作用也被逐漸關注并表現(xiàn)出了良好抗病毒應用能力[15]。目前，關于石墨烯材料的抗菌抗病毒的具體性能仍然存在一定的爭議[16]。根據報道和烯望公司自身實驗抗菌測試結果，表明部分石墨烯材料抗菌性能對不同種類或類型的細菌或病毒表現(xiàn)出一定的選擇性，具體表現(xiàn)為對某些細菌高抗性，對某些抗菌低抗性甚至促進其增殖[17]。這可能與所用石墨烯原料的物理化學性質和細菌本身特點有關。而且，目前實驗室和市場上石墨烯種類繁多，質量性能參數存在非常大的差異，這些都對石墨烯材料的抗菌抗病毒應用開發(fā)造成了很大阻礙，因此，仍然需要大量的研究工作來進一步完善和明確石墨烯材料具體應用工藝技術。
石墨烯材料的抗菌抗病毒性能受到石墨烯材料的物理化學性質、生物因素和非生物因素三者共同影響。石墨烯材料的物理化學性質影響因素主要包括石墨烯的層數、橫向尺寸和化學組成（碳氧比）[18]（圖2）。研究結果表明，石墨烯的層數越少，抗菌能力越強，這可能與石墨烯比表面積的增大、缺陷增多、邊緣切割作用變強有關[19]。陳元等人通過將不同橫向尺寸的GO同大腸桿菌混合培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)GO對大腸桿菌的抑菌作用隨著GO橫向尺寸的增大而增強，這與大尺寸GO更能有效捕獲細菌相關[20]。但是，增大的石墨烯材料橫向尺寸有可能進一步削弱石墨烯邊緣對細菌和病毒的切割作用，進而影響其實際殺傷效果。范麗珍等人研究了不同表面碳氧比石墨烯材料對大腸桿菌的抗菌作用，結果表明氧含量越高，其抗菌能力越強[21]。細菌和病毒本身的結構和生理條件也會對石墨烯材料的抗菌能力產生影響，研究表明，石墨烯材料對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌的抗菌性能要優(yōu)于革蘭氏陰性大腸桿菌，這可能與革蘭氏陽性和陰性菌的外膜結構特點有關[22]。外部條件，如分散介質、高分子物質、表面電荷等均會對石墨烯材料的抗菌抗病毒能力產生影響[18]。在培養(yǎng)基分散介質中，生物分子會結合包覆石墨烯表面，從而在一定程度上阻斷石墨烯與細菌的接觸抗菌作用，從而削弱石墨烯材料的抗菌性能[23]。
圖
圖2.影響石墨烯材料抗菌性能的石墨烯物理化學因素[18]
【烯望科技石墨烯抗菌研發(fā)進展】
烯望科技擁有獨立自主的石墨烯生產工藝技術，可以制備不同橫向尺寸、層數、表面化學組成的各種石墨烯及其衍生物，包括石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、石墨烯量子點等。同時，在公司現(xiàn)有石墨烯原料基礎上，公司進一步開發(fā)了一系列石墨烯復合纖維產品?；谏鲜鍪┰牧虾蛷秃侠w維技術，參考國家抗菌測試標準，烯望科技對石墨烯及其衍生物和復合纖維的抗菌性能進行了系統(tǒng)性的測試，詳細抗菌測試性能見表1。從表中數據可以看出，不同橫向尺寸的水溶性石墨烯對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出不同的抗菌性能，且不具有明確的規(guī)律。水溶性氧化石墨烯對大腸桿菌和金黃色葡萄菌的抗菌效果比較接近，且其抗菌性能要優(yōu)于水溶性石墨烯，這可能是由于氧化石墨烯含氧量高，可以通過氧化應激作用顯著提高其抗菌性能，見圖3，采用菌落計數法評估氧化石墨烯抗菌性能。不同化學結構組成的石墨烯量子點也表現(xiàn)出差異性抗菌作用，氨基外側石墨烯量子點可促進大腸桿菌增殖，而氨基內側高氮摻雜石墨烯量子點則對其表現(xiàn)出較強的抑制作用。總體上石墨烯材料均對金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出較強到弱的抗菌作用，而對于大腸桿菌，抗菌性能受到材料本身物理化學性質影響變動很大，從較強抗菌到促進增殖均有出現(xiàn)，這些結果表明選擇合適的石墨烯原料對于獲得良好的抗菌能力極為重要。
圖3. 采用菌落計數方法觀察石墨烯材料抗菌性能
表1. 烯望科技石墨烯材料及其復合纖維抗菌性能測試
對于石墨烯復合纖維，烯望科技通過優(yōu)化石墨烯原料抗菌性能，加工得到抗菌性能優(yōu)異的石墨烯復合纖維，對金黃色葡萄球菌和白念球菌的抑菌率達到90%以上，對大腸桿菌也表現(xiàn)出75%的抑菌率，檢測報告見圖4。烯望科技也對市場上其他石墨烯企業(yè)的石墨烯復合纖維產品進行了測試，測試結果顯示不同廠家的石墨烯復合纖維對于大腸桿菌的抗菌性能均不夠理想，遠低于70%抑菌率。僅有兩家的石墨烯復合纖維對于金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出良好的抗菌能力，分別為99.6%和85.2%。綜上，通過同市場上現(xiàn)有產品進行比對，發(fā)現(xiàn)市場現(xiàn)有石墨烯復合纖維的實際抗菌性能均遠低于生產廠家宣傳的抗菌能力。因此，烯望科技的石墨烯復合纖維具有非常明顯的抗菌優(yōu)勢。
圖4. 烯望科技石墨烯復合纖維抗菌檢測報告
烯望科技的緊密合作單位中科院上海微系統(tǒng)所石墨烯粉體課題組也開展了石墨烯在生物醫(yī)藥應用領域的研究，包括石墨烯量子點材料的熒光特性、生物相容性、腫瘤標識和治療、特定腫瘤快速診斷等，相關論文有：
1) Emancipating target-functionalized carbon dots from autophagy vesicles for a novel visualized tumor therapy, Advanced Functional Materials 28 (2018) 1800881.
該工作實現(xiàn)了石墨烯衍生物在腫瘤細胞中的靶向富集，進一步的研究發(fā)現(xiàn)，該材料觸發(fā)了腫瘤細胞的自噬保護機制，該機制可能為腫瘤耐藥性的產生原因。鑒于此，通過石墨烯衍生物與自噬抑制藥物聯(lián)用，實現(xiàn)了腫瘤細胞的靶向高效殺滅。裸鼠皮下腫瘤模型實驗結果表明，上述治療方案在15天中使腫瘤體積顯著減?。[瘤包塊縮小75%），相比傳統(tǒng)化療藥物其效率提升3-4倍（圖5）。與此同時，由于高效的靶向能力，治療過程中毒副作用顯著下降。在動物模型中未發(fā)現(xiàn)明顯全身毒性和器官損傷。該項研究為當前腫瘤治療技術中遇到的實時監(jiān)控、高靶向率治療、抗耐藥性三大難點提供了新的思路和有效的解決方案。
圖5. 基于石墨烯量子點的腫瘤靶向治療方案
2) A new graphene derivative: hydroxylated graphene with excellent biocompatibility, ACS Applied Materials & Interfaces 8 (2016) 10226-10233.
該工作表明親水石墨烯材料可有效促進干細胞增殖（圖6），證明了該材料是一種潛在的干細胞體外增殖基質，其對干細胞增值過程的有效促進為干細胞治療過程中脂肪干細胞體外擴增技術提供了材料學支持。
圖6. 親水石墨烯材料對脂肪干細胞增殖的促進
3) Selenium doped graphene quantum dots as an ultrasensitive redox fluorescent switch, Chemistry of Materials 27 (2015) 2004-2011.
該工作利用石墨烯材料對細胞代謝過程中重要的氧化還原過程實現(xiàn)了實時的長效原位熒光監(jiān)控，為深入理解細胞代謝過程、腫瘤化過程提供了有力的監(jiān)測與研究手段。
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【石墨烯材料抗菌抗病毒產品形態(tài)】
基于已有文獻報道和市場產品信息，石墨烯材料的抗菌抗病毒主要有以下幾種產品形態(tài)：1）膠體溶液[24]，包括石墨烯及其衍生物單獨體系、石墨烯復合其他協(xié)同抗菌抗病毒成分的混合體系，主要通過直接接觸和緩慢釋放對細菌和病毒起到有效殺傷；2）涂層[25]，可以將石墨烯或其復合抗菌抗病毒材料采用物理沉積或其他方式涂覆結合到產品表面，進而通過表面接觸過程有效起到抗菌抗病毒作用；3）復合凝膠[26]，在凝膠制備過程中，以摻雜或者化學鍵合的方式加入石墨烯抗菌抗病毒成分，使其同時具備凝膠和石墨烯二者的功能；4）復合纖維[27]，將石墨烯或改性石墨烯抗菌抗病毒材料在紡絲過程中摻加到紡絲溶液中，從而通過傳統(tǒng)紡絲工藝制備得到性能優(yōu)異的多功能性復合石墨烯纖維。
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【石墨烯材料抗菌抗病毒應用領域】
目前，石墨烯抗菌抗病毒已經被廣泛的應用在生物醫(yī)學、家居紡織、建筑工程、空氣過濾、水質凈化、美容化妝品等領域，見圖7。
生物醫(yī)學領域，包括石墨烯醫(yī)用抗菌繃帶、醫(yī)用凝膠、骨科和牙科移植材料抗菌涂層[18]等。如石墨烯醫(yī)用抗菌繃帶可以有效促進皮膚創(chuàng)口或手術創(chuàng)口的愈合[28]。骨移植材料可以有效提供抗菌屏蔽同時促進移植部位的細胞增殖，加快組織器官恢復。
家居紡織，包括石墨烯消毒液、石墨烯紡織用品等，石墨烯消毒液可以通過噴灑等方式起到有效的抗菌抗病毒作用。石墨烯紡織用品包括石墨烯抗菌纖維及其下游產品，如抗菌面料、抗菌服裝和內衣、抗菌地毯、床上用品等，可以起到很好的日常防護作用。
建筑工程，石墨烯抗菌抗病毒材料可以作為涂層對建筑表面進行有效的防護。如橋梁、公共設施表面的金屬抗菌防護，可以通過石墨烯材料有效實現(xiàn)，同時還可以起到耐腐蝕作用[29]。家居墻壁也可以通過石墨烯抗菌涂層實現(xiàn)對家人的防護。
空氣過濾，通過添加石墨烯抗菌抗病毒成分，改善傳統(tǒng)空氣濾材的抗菌抗病毒能力，同時顯著提高過濾性能。
水質凈化，可以有效消滅水中細菌病毒，吸附有害物質，提高水質過濾質量。
美容化妝品，石墨烯摻雜可以為面膜或化妝品乳液等成分提供抗菌抗病毒防護。
圖7.石墨烯材料抗菌抗病毒應用
【國內石墨烯材料抗菌抗病毒市場情況】
目前，國內石墨烯抗菌抗病毒市場仍主要集中在石墨烯抗菌產品應用領域，抗病毒應用由于研究規(guī)模和時間落后于抗菌，仍處于初級階段。主要的企業(yè)包括南通強生、恒利寶、上海烯望、深圳烯旺、山東圣泉、新奧、標點紡織、陜西金瑞烯、上?？迪┤R等，其中大多數企業(yè)聚焦在石墨烯復合抗菌纖維和紡織品領域?，F(xiàn)階段國內市場石墨烯抗菌產品主要有健康理療、家居紡織、生物醫(yī)學、美容化妝品等幾個方面。其中健康理療涉及護頸、護膝等產品，起到抗菌和保健功能。家居紡織主要包括服裝、內衣、被褥、地毯、窗簾等日常產品，在抗菌的同時實現(xiàn)遠紅外、抗紫外等多功能性。生物醫(yī)學領域仍然處于研發(fā)產品轉化階段，需要大量的技術和臨床工作來進行產品定型。美容化妝品領域在石墨烯面膜方面首先取得突破，并取得了一定的市場規(guī)模。但是，由于缺少明確的國家質量標準和監(jiān)管體系，目前國內的石墨烯抗菌產品質量性能參差不齊，虛假和真實產品并存，不少產品抗菌宣傳效果與實測效果不符。
烯望材料基于自有高質量石墨烯工藝技術，開發(fā)了一系列石墨烯復合抗菌纖維，包括石墨烯復合黏膠纖維、滌綸等，通過國家標準抗菌檢測，均表現(xiàn)出良好的抗菌性能，并在床上用品、服裝等產品開發(fā)領域取得了一定的進展。目前，公司繼續(xù)加大對于石墨烯復合抗菌紡織產品的研發(fā)和投資力度，在保證良好的抗菌性能基礎上，實現(xiàn)更多的功能性，滿足市場和消費者日益增長的定制化需求。
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【石墨烯材料抗菌抗病毒市場展望】
雖然國內石墨烯抗菌抗病毒市場仍不夠成熟，但是石墨烯抗菌應用已經展現(xiàn)了強大的市場潛力和消費者接受度。隨著逐漸增加和完善的石墨烯抗菌抗病毒研究，以及產品工藝優(yōu)化、產品質量標準的建立和市場的不斷開拓，石墨烯材料抗菌抗病毒會在日常生活中發(fā)揮更加關鍵的作用。
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