石墨烯材料在抗菌纳米医学领域的研究现状与应用展望

目前抗生素的滥用导致不少单细胞病原菌出现耐药性。开发新的抑菌策略变得日益重要。正在研发的策略包括开发各种具有高生物活性的抑菌物质(例如:抗菌肽、噬菌体和噬菌体裂解酶)、免疫调节剂、群体感应抑制剂、以及掠食性微生物等。但实际使用中,这些新抑菌物质往往伴随着高度复杂的技术要求,过高的成本和难以预料的健康风险等缺点。一个新兴的研究方向是使用金属纳米颗粒或碳纳米材料做为抗菌物质。基于纳米材料的抗菌技术具有合成简单、成本低廉、还可以按需求定制的优点。其中石墨烯材料因其相对低廉的成本和较低的对人和环境的毒性,在抗菌纳米医学领域吸引了越来越多的关注。 最近澳大利亚悉尼大学化学和生物分子工程学院Dr. Karahan(第一作者),陈元教授(通讯作者)和新加坡制造技术研究所魏军博士等作者合作撰写了综述对当前石墨烯材料在抗菌纳米医学领域的研究做了系统的归纳总结。

文章首先梳理了石墨烯材料的主要抗菌机理。石墨烯材料的抗菌活性主要包括四种机制:(1)物理穿刺或者叫做“纳米刀”切割机制;(2)氧化应激引发的细菌/膜物质破坏;(3)包覆导致的跨膜运输阻滞和(或)细菌生长阻遏;(4)通过插入和破坏细胞膜物质造成细胞膜不稳定。根据石墨烯材料和细菌的不同接触状态,上述几种机制协同作用导致细胞膜的完全破坏(杀菌作用)和阻遏细菌生长(抑菌作用)。

而这些抗菌机制会受到三大因素的影响:(1)石墨烯材料的结构。按照制备方法的不同, 石墨烯结构的三个基本结构参数:层数、 横向尺寸、和化学组成(碳氧比例)会在一个很大的范围内变化。石墨烯材料的化学性质(表面功能团)对以上的几个机制有很大影响,特别是影响氧化应激产生和与微生物表面分子间相互作用。控制这些参数是调控石墨烯材料抗菌活性的关键。 (2)生物因素(微生物)。目前石墨烯材料对代表性的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌相互作用的相关文献显示微生物细胞壁结构会影响石墨烯材料的抗菌性能。另外细菌的形状和细菌生理条件也会影响石墨烯材料的抗菌效果。深入了解抗菌剂对不同种类微生物的不同效果对于更好的理解抗菌机理和抗菌剂的有效应用都至关重要。微生物的外膜结构可能是影响其和石墨烯材料相互作用的核心。(3)非生物因素(外因)。无机和有机溶质等非生物因素也会左右石墨烯材料的抗菌性能。作为石墨烯材料-微生物相互作用的的三方,非生物外因将通过以下两个途径产生影响:影响石墨烯材料的聚集行为和生物利用度,和改变微生物的行为。以离子强度为例,它会引起石墨烯材料的团聚,妨碍它与微生物相互作用从而导致其抗菌能力降低;而添加稳定剂有助于石墨烯材料的分散,从而提高它的抗菌效力。

文章接着分析了石墨烯材料作为抗菌剂在生物医学领域可能出现的四个主要形态:胶状分散体、表面涂层、光热治疗材料,和可控缓释平台。然后,从传统碳材料(活性炭)的临床应用出发,评估了石墨烯材料在创伤敷料、抗感染涂层、纳米抗生素三个临床应用领域的研究现状和应用前景。最后提出了石墨烯材料在生物医学领域下一步的重点研究方向。

目前临床中已经实现广泛应用的常规碳材料可以做为石墨烯材料有益的参考。从常规碳材料的生物医学应用出发,作者提出了下阶段针对石墨烯材料研究的几个重点方向:(1) 解决目前研究中存在的分歧。比如氧化石墨烯是否真得能促进细菌生长和诱发生物膜的形成?(2)填补关键的知识空白。石墨烯对不同种类微生物的抗菌活性有什么不同?(3)深入纳米材料的生物毒性研究。

目前对石墨烯材料的抗菌活性的研究还集中在基础研究。而对各种生物相关影响因素(比如微生物的种类及其生理的改变)的了解最为缺失。很多研究集中在金属纳米银颗粒和石墨烯的复合材料,作者提出将石墨烯和常规碳材料相互结合可能是很有潜力的发展方向。总的来说,石墨烯材料正得到生物医学领域越来越多的关注。通过对石墨烯材料进一步的结构和性能上的改进,它们有可能在不久的将来成为有效的纳米抗菌剂。

相关综述以“Graphene Materials in Antimicrobial Nanomedicine: Current Status and Future Perspectives”为题发表在Advanced Healthcare Materials DOI: 10.1002/adhm.201701406

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