水和洗涤剂能显著增强氧化石墨烯的杀菌活性

过去几十年,各种杀菌性能优良的抗生素拯救了数百万人的生命,但大规模的滥用也导致很多致命细菌产生了耐药性。人类急需新的抗生素来对抗这些有耐药性的超级细菌。然而在新型抗生素研究长期停滞的情况下,我们迫切需要找到新的替代品以减少抗生素的使用。通过对新型热点碳材料石墨烯的研究,南洋理工大学、新加坡制造技术研究院和澳大利亚悉尼大学的合作团队为这一领域找到了新的解决途径。

此前的研究发现,水溶性氧化石墨烯有一定的杀菌活性。但氧化石墨烯的抗菌活性相对较低,高剂量的使用也会对人体细胞产生毒性。Hüseyin Enis Karahan、魏军、陈元和他们的合作者发现,氧化石墨烯和无毒洗涤剂在清水中形成的聚合物可以杀死超过99%的细菌。而且此聚合物对人体皮肤细胞的毒性比氧化石墨烯有显著降低。

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这个新发现主要基于两种效应的结合。第一个效应源于水本身 。所有的活细胞都具有一定的盐浓度。当它们处在低盐环境中时会发生溶胀。采用这一基本原理,研究人员首先发现,在低盐环境中氧化石墨烯的杀菌活性更高。文章的通讯作者,悉尼大学的陈元教授认为,“虽然盐浓度对细菌敏感性的影响众所周知,但大家都没有仔细研究它对碳纳米材料杀菌活性的影响。 包括我的团队之前一系列关于碳纳米抗菌活性的工作,盐浓度总是设定在一个固定的参数。但我们目前的研究表明,盐浓度是影响氧化石墨烯杀菌活性的一个关键参数。”

虽然碳纳米材料的抗菌应有很大的潜力,但仍处于起步阶段。共同通讯作者,来自新加坡制造技术研究院的魏军认为:“我们不仅要为此展开基础研究,也需要针对实际应用提出相应的解决方案。” 研究发现的第二个效应即来自这方面的考虑。把氧化石墨烯和常用的洗涤剂 (普朗尼克,Pluronic)相结合可以极大地增加氧化石墨烯的应用潜力。

Pluronics是生物友好的聚合物,广泛用于药物制剂和食品。它也可以降低碳纳米材料,比如石墨烯的生物毒性。 “我们把Pluronic和氧化石墨烯组装在一起,希望既能抑制氧化石墨烯的皮肤毒性,同时又可以保持它的抗菌活性。但实验中我们却观察到一个令人惊讶的结果—氧化石墨烯抗菌活性急剧地提升了”,第一作者Karahan描述到。

但通过系统实验,作者发现Pluronic不仅能增加氧化石墨烯在溶液中的稳定性,同时也可以促进氧化石墨烯与细菌的相互接触。和很多洗涤剂一样,Pluronic分子包围在细菌周围,而氧化石墨烯则隐藏在细胞周围的清洁剂分子层中,这样它就能更有效地杀死细菌。研究还发现Pluronic和石墨烯氧化物的聚合体物对人类皮肤细胞的毒性比氧化物石墨烯单独使用时降低了一半。

水和洗涤剂是最常用的清洁剂。作者Karahan认为,这项研究可以为氧化石墨烯的应用探索新的途径,“我们希望石墨烯材料在表面清洁领域找到应用”。不过,陈元教授也强调目前的方法还只对革兰氏阴性菌,比如大肠杆菌和绿脓杆菌特别有效,还需要进一步改进才能让氧化石墨烯在日常消费产品中使用。相关研究成果最近发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201502496)上。