悉尼大学陈元教授Advanced Healthcare Materials综述:石墨烯材料在抗菌纳米医学领域的现状与展望

悉尼大学总结了石墨烯材料的主要抗菌机理,探讨了石墨烯的材料结构和其抗菌活性的关系。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。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。

【引言】

过去几十年中,由于抗生素的滥用导致单细胞病原菌出现顽强的耐药性,开发新的抑菌策略变得日益重要。为此,科研人员正在研发各种高生物活性抑菌物质(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。但这些新抑菌物质的应用往往也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。石墨烯材料因其相对低廉的成本和较低的毒性(对人和环境),在抗菌纳米医学领域吸引了越来越多的关注。

【成果简介】

悉尼大学化学和生物分子工程学院Dr. Karahan(第一作者)和陈元教授(通讯作者)等人总结了石墨烯材料的主要抗菌机理,探讨了石墨烯的材料结构和其抗菌活性的关系。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。该综述以“Graphene Materials in Antimicrobial Nanomedicine: Current Status and Future Perspectives”为题发表在杂志Advanced Healthcare Materials上。

【图文导读】

图1、 石墨烯抗菌剂研究概览,该综述讨论的三个相互关联的研究领域:抗菌机理、生物应用中的材料形态和临床应用的方式。

悉尼大学陈元教授Advanced Healthcare Materials综述:石墨烯材料在抗菌纳米医学领域的现状与展望

1. 石墨烯材料的抗菌活性

1.1 材料物理化学性质的作用

按照制备方法的不同,无论何种制备途径,石墨烯结构的三个基本结构参数将会在一个很大的范围内变化。控制这些参数是调控石墨烯材料抗菌活性的关键。

图2、图解石墨烯材料的主要结构变化

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如图2所示, 石墨烯材料的结构特点主要由三个参数决定:(1)层数、(2)横向尺寸和(3)化学组成(碳氧比例)。

图3、石墨烯材料性质对其抗菌活性的影响

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图3显示Gt(石墨)、GtO(氧化石墨)、GO(氧化石墨烯)和rGO(还原氧化石墨烯)对E. coli(大肠杆菌)的抗菌活性的不同。a)对比E. coli 和Gt, GtO, GO和rGO (80 μg mL-1) 培养两个小时后的变化;b)GO和rGO (80 μg mL-1)随时间的变化;c)不同浓度GO和rGO在固定时间(2 小时)前后的变化;d、e、f) 扫描电子显微镜观察未处理、与GO(40 μg mL-1)作用2小时、与rGO作用2小时的细菌;g-i)谷胱甘肽降低测试显示氧化应激在抗菌活性中的作用;j)原子力显微镜观察超声处理时间对GO (80 μg mL-1)横向尺寸的影响;k、l、m) 原子力显微镜下未处理、大片GO和小片GO包裹下的细菌(镶嵌图分别为最大和最小GO的图片)。

石墨烯材料的抗菌活性主要结合了以下几个机制:(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。依据实验条件的不同,上述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)。 石墨烯材料的化学性质(表面功能团)对这些机制有很大影响,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。

1.2 生物因素(微生物)的影响

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。

1.3 非生物因素(外因)的影响

除了石墨烯材料的理化性质和微生物的特征结构之外,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:(1)影响石墨烯材料的聚集行为和生物利用度; (2)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。

2. 石墨烯材料的潜在生物医学应用

目前研究中,石墨烯材料的抗菌应用主要有四种可能方式:胶状分散体、表面涂层、光热治疗材料和可控缓释平台。三个最有可能的临床应用包括: 抗菌敷料/绷带、预防感染为目的的医疗装置表面功能化和设计合成纳米抗生素。

2.1 石墨烯材料的主要应用模式

图4、 颗粒取向对石墨烯复合薄膜抗菌性能的影响

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a)纳米复合薄膜的制备过程:GO-聚合物搅拌,磁场作用下的排列和紫外固化以及紫外/臭氧对聚合物(聚甲基丙烯酸羟乙基酯)的刻蚀。b、c) 基于(b)菌落计数和(c)活/死的存活率结果;d)不同取向纳米复合材料上的 coli的扫描电镜观察。e)基于原子力显微镜的表面形貌比较。

2.2 伤口绷带和敷料

图5、石墨烯材料在创伤治愈中的应用

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a)石墨烯量子点(GQDs)的粒径分布;b)未浸渍(左)和GQDs浸渍的纱布;c)浸渍织物在一只老鼠的伤口上(镶嵌图显示了绷带的结构);d)伤口被含有盐水(参照)、双氧水、GQDs、GQDs与双氧水的绷带包裹三天前后的对比照片;e)用不同的绷带处理后存活的细菌计数;f)PAA–银纳米颗粒–rGO水凝胶治疗伤口的照片;g)用纱布在不同的时间点治疗受伤的老鼠的照片比较:空白敷料(XSI–PU)、参照、高分子凝胶(XSI–聚氨酯/ GO-5 %)。

2.3 医疗器械表面的功能化

图6、石墨烯材料作为抗菌剂和促骨生成剂在骨植体方面的应用

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a)光照抑制和银离子缓释的协同杀菌作用;b)GO包覆钛材料皮下埋植可降低感染和炎症反应;c)制备具有GO涂层的骨种植体;d、e)石墨烯改性的植入体和无GO涂层的钛移植体相比形成较小的生物膜。

2.4 抗生素制剂

图7 、作为“纳米抗生素”的石墨烯和石墨烯基纳米复合材料

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a)合成芘-PEG修饰的rGO-IONP; b)纳米复合材料的捕集效率与浓度的关系; c)被捕获细菌的扫描电镜照片; d)分析捕获细胞活/死的共焦荧光显微镜图像; e)利用近红外辐射加热rGO-IONP的光热转化材料;f)小鼠纳米rGO–IONP颗粒合成、皮下注射和PTI辅助杀菌机理;g、h)在体内和体外GO对抗药K. pneumoniae(肺炎克雷伯菌)的抗菌活性比较。

【未来展望和小结】

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。

【主要作者简介】

悉尼大学陈元教授Advanced Healthcare Materials综述:石墨烯材料在抗菌纳米医学领域的现状与展望

Huseyin Enis Karahan

伊斯坦布尔技术大学,化工和分子生物与遗传学双学士; Koc大学,材料科学与工程硕士;南洋理工大学,生物工程博士。目前担任新加坡膜技术中心研究助理。主要研究领域包括:逐层组装、纳米复合材料在生物医学和能源中得应用、防污/抗生物的新型分离膜。

悉尼大学陈元教授Advanced Healthcare Materials综述:石墨烯材料在抗菌纳米医学领域的现状与展望

陈元

清华大学,化工学士,生物化工硕士;耶鲁大学,化工博士。2005-2015年任南洋理工大学助理教授、副教授。2015年起任悉尼大学教授。2016年获得澳大利亚科学委员会未来学者项目资助。2017年当选澳大利亚皇家化学会会士,2018年收接纳为英国皇家化学会会士。目前还担任国际期刊碳杂志(Carbon)编辑和澳大利亚碳学会主席。主要研究方向是碳纳米材料的可控合成组装和其在能源和环境方向的应用。

文献链接:Graphene Materials in Antimicrobial Nanomedicine: Current Status and Future Perspectives (Advanced Healthcare Materials,2018, DOI: 10.1002/adhm.201701406)

本稿由悉尼大学陈元教授研究团队王一雷和王亮两位老师撰写,特此感谢!

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