石墨烯含氧官能团种类对其抗菌性能的影响

石墨烯及其衍生物,包括氧化石墨烯和还原氧化石墨烯,都表现出良好的抗菌性能,然而其抗菌机制仍有待深入研究。石墨烯及其衍生物的抗菌性能与其物理状态和周围环境密切相关,包括石墨烯的厚度、形状、尺寸和表面修饰等。氧化石墨烯的含氧官能团主要包括羟基、环氧基、羰基和羧基。细菌对含有不同种类含氧官能团的石墨烯是否会有不同行为响应,目前人们还不是很清楚。

Untitled中国科学院上海硅酸盐研究所刘宣勇课题组针对这一问题,采用电泳沉积技术在钛片表面制备氧化石墨烯涂层,然后通过不同还原方法处理氧化石墨烯,得到含有不同种类含氧官能团的还原氧化石墨烯,并研究了它们对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌规律和作用机制。相关结果发表在Advanced Materials Interfaces(DOI: 10.1002/admi.201700228)上。

真空热处理可有效去除氧化石墨烯上的羧基,水合肼还原可有效去除环氧基,硼氢化钠还原可有效去除羰基。三种不同还原方法处理氧化石墨烯后得到的还原氧化石墨烯展现出了不同的抗菌行为。与氧化石墨烯相比,去除羰基的还原氧化石墨烯保留了较好的抗菌性能,能有效抑制细菌在样品表面的粘附并杀死粘附在样品表面的细菌,去除环氧基的还原氧化石墨烯虽然也能够抑制细菌的粘附,但并不能够有效杀死粘附在样品表面的细菌,而去除羧基的还原氧化石墨烯既不能抑制细菌的粘附也不能杀死粘附在样品表面的细菌。因为羧基的存在,氧化石墨烯表面呈现出负电性,而细菌表面也带负电,负电性的样品表面可以通过静电排斥抑制细菌的粘附,电性越负的样品表面抑制效果越显著。同时,样品表面产生的活性氧水平与羟基和环氧基的含量呈正相关,较高的活性氧水平会破坏细菌膜并引起细菌的死亡。氧化石墨烯经不同还原方法处理得到的还原氧化石墨烯,其含氧官能团的种类和数量存在差异,因而对细菌产生了不同的行为响应,导致了不同的抗菌性能。研究者希望通过该文章的视角为理解石墨烯及其衍生物的抗菌性能提供一个新的思路,也为石墨烯用于生物医用材料的表面改性提供技术支持。

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