石墨烯及其衍生物的抗菌性研究

利用抗菌剂来抑制和杀灭有害细菌是提高人类健康水平的一个重要方法，但传统的抗菌剂，如抗生素、季铵盐等不但会导致微生物的抗药性，还会造成严重的环境污染。2010年，中国科学院上海应用物理所黄庆课题组首次发现了石墨烯材料的抗菌作用，即氧化石墨烯可以破坏细菌的细胞膜，导致胞内物质外流并杀死细菌。

石墨烯及其衍生物

石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，可以被看做是构成零维的富勒烯、一维的碳纳米管及三维的石墨和金刚石的基本结构单元。

图1 石墨烯可以看成是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本构成单元

然而，由于石墨烯化学稳定性高，结构完整，较难与其他介质发生相互作用，并且其片层之间的范德华力较强，所以石墨烯不能分散于水和常见的有机溶剂中，限制了其在生物医学领域的发展和应用。因此人们主要通过物理或化学方法对石墨烯进行改性，提高其溶液分散性。氧化石墨烯就是石墨烯改性的代表衍生物之一，一般由石墨经强酸氧化而得，主要有以下3种制备氧化石墨的方法：Brodie法、Staudenmaier法和Hum－mers法，其中Hummers法是目前最常用的一种。

图2 氧化石墨烯的结构式示意图

氧化石墨烯与石墨烯的结构基本相同，只是在单层碳原子结构的基面上连接有大量的含氧基团，平面上含有-OH和C-O-C，而在其片层边缘含有C=O和COOH。与石墨烯相比，氧化石墨烯具有良好的润湿性能和表面活性，而且能被小分子或者聚合物插层后剥离，在改善材料的热学、电学、力学等综合性能方面发挥着非常重要的作用。

与以往的碳基材料相比，氧化石墨烯具有以下特点：

1）氧化石墨烯具有单原子层结构，良好的亲水性使其能够在水中完全分散为单层，意味着它具有更大的比表面积和表面活性与其他介质材料结合；
2）修饰的氧化功能团提高了氧化石墨烯的表面活性，它们能够直接与介质材料发生静电吸附或键合作用，从而获得稳定的复合结构；
3）氧化石墨烯具有类似于表面活性剂分子的自组装能力，能够在平整的固体表面自组装形成具有多层结构的连续的纸状薄膜；
4）氧化石墨烯的原子层骨架具有良好的机械强度，可以起到机械支撑作用；
5）与以往常采用的碳纳米管相比，氧化石墨烯价格便宜、制备简单，适合大规模生产。

石墨烯及其衍生物的抗菌性

目前，石墨烯材料的抗菌性研究主要分为两个方面：一方面是石墨烯和氧化石墨烯本身的抗菌活性研究,另一方面是氧化石墨烯负载银的抗菌活性研究，以及氧化石墨烯与其他材料复合后的抗菌性研究，实验过程及研究结果如图3。

注：深圳环能石墨烯科技有限公司是“深圳石墨烯研究院”复合树脂材料项目公司
图3 石墨烯及其衍生物的抗菌性研究

石墨烯的生物安全性研究

石墨烯及其衍生物在多个领域都得到了广泛应用，尤其是在生物医学领域中，药物运输可以直接进入人体内部，那么石墨烯及其衍生物对生物细胞作用是否存在毒性，将成为其应用推广和可持续发展中面临的最大问题，图4为多项石墨烯生物安全性评价的研究。

图4 石墨烯生物安全性研究

石墨烯在抗菌材料方面有很大潜力

石墨烯与细菌作用时表现出优异的抗菌性能，而与细胞或生物体作用时只表现出微弱的细胞毒性，说明石墨烯是一种既具有抗菌性又具有良好生物相容性的纳米材料，在生物医学方面具有极大的应用潜力，同时还是抗菌活性物质的理想载体，在开发新型抗菌材料方面有巨大潜力。