氧化石墨烯的抗菌抗病毒機理與應用探究

姚誠凱 陳 琛 韓 燚 孫海燕 王勇霖 高 超,2

1.杭州高烯科技有限公司 浙江 杭州 311113

2.廈門大學石墨烯工程與產業研究院 浙江 杭州 361102

1 石墨烯材料簡介

石墨烯(Graphene)是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的新材料。[1]石墨烯具有優異的光學、電學、力學性能,在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等領域都有無可比擬的應用價值。[2]不同于傳統的任何一種材料,石墨烯材料集高機械強度、高穩定性、高導熱性、高導電性、量子反常霍爾效應、高比表面積、吸附脫附性、氧化還原能力、阻燃性、抗微生物活性、生物相容性、遠紅外發射、紫外防護、負離子發生、耐腐蝕等性能于一身,如今甚至在高溫超導、癌癥治療、超級電容器、量子器件等方面嶄露頭角,可以說是材料界的“無冕之王”,在越來越多的研究領域中都被寄以厚望。

2 抗菌劑發展簡述

抗菌劑主要可以分為無機、有機和天然三種。早期抗菌劑基本都屬于有機物,大多是含氮、硫、氯等元素的各類復雜化合物,這類抗菌劑可通過靜電作用抓取細菌,改變細胞膜通透性或使蛋白質變性,短期殺菌效果好,但大多都有耐熱穩定性差、壽命短等缺點。此外,這類抗菌劑存在致命缺陷,即具有溶出性,在接觸人體或其他含水環境時,溶出型抗菌劑會逐漸釋放,對使用者的健康造成直接威脅。盡管非常適合一些國家標準的檢測,但溶出性抗菌劑在技術成熟的今天已經沒有競爭力,僅在抗菌噴霧的市場中存有一席之地。

取代有機抗菌劑的是近年來聞名遐邇的無機納米抗菌劑,其中金屬納米材料尤其是銀離子抗菌劑獨占鰲頭,成為了近年來的行業熱門和研究焦點。大量文獻表明:納米銀抗菌劑的抗菌能力主要來自銀離子,其作用主要集中在以下三個方面:1、穿透細胞壁,進入細胞質降解染色體;2、與蛋白質和酶肽鏈上的巰基反應,干擾呼吸鏈,破壞細胞壁;3、引起氧化應激,使脂質過氧化,抑制ATP產生和DNA復制。[3]然而,隨著機理的深入研究,銀納米材料的缺點也逐漸暴露出來。其會持續釋放出銀離子,銀離子的尺寸極小,不僅有殺菌性能,還會進入人體,損傷人體細胞,并在人體內積累。這種機制會導致銀系抗菌紡織品中的銀持續流失,產品本身逐漸失效,而釋放的銀離子作為重金屬,不管是進入人體還是環境,均是違背健康和環保理念的。銀納米材料的崛起依靠的是概念的先進性和其所向披靡的抗菌效果,但是在熱潮消散后,綜合考慮安全性,不少國家已經限制使用。

此外,納米氧化鋅、氧化鈦、氧化銀等作為光催化劑也是前沿的抗菌添加劑。通過陽光照射,這些半導體材料會被激發,產生具有強氧化能力的空穴和強還原能力的電子,與空氣中的水和氧分子結合形成羥基自由基和超氧自由基,氧化分解微生物細胞中的蛋白質、不飽和脂肪酸及糖苷等物質,加速細菌的死亡。光催化是非常穩定且高效的方法,且利用太陽能,符合綠色環保的理念。然而,其致命缺陷在于,整個催化過程需要外部光能激活,一旦失去強光源,這類材料就會罷工,于現代人的生活習性而言,光催化劑并不是契合的抗菌劑。

而隨著人們環保意識的增強和對"綠色"產品的渴望,天然抗菌劑越來越引起人們的關注。天然抗菌劑中,從動物中提取的主要有甲殼質、殼聚糖和昆蟲抗菌性蛋由質等,從植物中提取的主要有棕櫚油、椰子油、檜柏、艾篙、蘆薈等,還有從礦物中提取的抗菌劑。[4]雖然這類抗菌劑的抗菌效果良好且安全無污染,但是不菲的提取成本、添加量的限制和本身較差的耐久性致使其還僅存于實驗研究階段,難以做到工業化規模的生產。

綜上所述,抗菌劑的發展遵循“研究-應用-取代”的模式,人們致力于確保抗菌性能的基礎上盡量規避材料本身的缺陷,這也是氧化石墨烯璀璨登場的必然條件。

3 氧化石墨烯的抗菌機理

氧化石墨烯(Graphene Oxide,以下簡稱GO)是石墨烯的氧化物,除晶格缺陷外,GO表面含有豐富的含氧官能團,如羧基、羥基等。近年來的研究發現,氧化石墨烯可通過與細菌直接接觸時的物理和化學相互作用產生高效地抗菌活性。實驗和模擬計算結果表明,GO特殊的二維結構和表面所攜帶的含氧官能團是其能夠限制細菌存活的主要因素。如圖1所示,一方面,基于碳原子的sp2雜化和單雙鍵交替的共軛體系,GO呈現出二維納米片的優良特性,即超大的橫向尺寸、超薄的厚度、極佳的柔性和極高的強度。當與細菌接觸時,GO可以很大范圍地覆蓋、甚至包裹細菌,使其與外界適宜的生長環境隔絕,高阻隔性的GO會阻塞細菌的離子通道,失去外界養分支持的細菌就會逐漸死亡;而當細菌接觸GO鋒利的邊緣時,其細胞壁易被劃破、刺穿,細胞質的流失會導致細菌的直接死亡,這種效應在文獻中被形象地命名為“納米刀效應”(Nano-Knife),是GO抑菌的主要物理因素。[5]另一方面,GO表面經氧化而含有豐富的含氧官能團(羥基、羧基、環氧基等),這些官能團使GO表面帶負電,在與細菌表面的磷脂層接觸后會形成氫鍵并產生靜電吸附作用,即便細菌的鞭毛有一定運動能力,也難以逃脫束縛。靜電作用還會影響其細胞膜的膜電位,造成膜的功能性損傷;而GO邊緣的官能團會在劃破細菌的細胞膜后進入細菌內部,與呼吸酶系統相互作用,產生活性氧自由基(ROS),如過氧化氫(H2O2)、羥基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2-),引起細菌的氧化應激,導致其蛋白質、脂質和核酸的氧化,并最終導致膜老化和細菌死亡,是GO抗菌的主要化學因素。綜上所述,GO的厚度、尺寸和氧化程度是影響其抗菌性能的主要因素。

圖1 氧化石墨烯的抗菌機理[6]

4 石墨烯抗病毒機理

病毒是一種個體微小,結構簡單,只含一種核酸(DNA或RNA),必須在活細胞內寄生并以復制方式增殖的非細胞型生物。病毒是一種非細胞生命形態,它由一個核酸長鏈和蛋白質外殼構成,病毒沒有自己的代謝機構,沒有酶系統。因此病毒離開了宿主細胞,就成了沒有任何生命活動、也不能獨立自我繁殖的化學物質。它的復制、轉錄、和轉譯的能力都是在宿主細胞中進行,當它進入宿主細胞后,它就可以利用細胞中的物質和能量完成生命活動,按照它自己的核酸所包含的遺傳信息產生和它一樣的新一代病毒。

與抗菌機制類似,氧化石墨烯可以抑制病毒感染細胞,其機理在于:1、表面的官能團呈電負性,可以吸附一般表面帶正電的包膜病毒;2、面內共軛體系的親脂性較好,易與包膜中的脂質尾作用;3、以上兩點共同作用易引起包膜破裂,加速病毒失活;4、柔性好、單層結構的氧化石墨烯會覆蓋病毒表面,阻止其進入細胞,降低感染率;5、氧化石墨烯進入細胞還會引起細胞自身應激,阻止病毒RNA轉錄。與傳統抗生素的毒性機制對比,氧化石墨烯無疑是更安全、更具應用價值的選擇。

5 氧化石墨烯在抗菌抗病毒領域的應用探究

綜上所述,氧化石墨烯在抗菌、抗病毒方面的優勢完全符合目前市場優勝劣汰的要求。杭州高烯科技有限公司通過“原位聚合法”制造的單層氧化石墨烯復合纖維就是將石墨烯的優點帶入人們日常生活的一次成功的嘗試。氧化石墨烯通過共價鍵的方式參與纖維的組成,不僅能讓紡織品具有恒久有效的抗菌、抗病毒性能,還不會脫離流失,對人體和環境造成危害。高烯科技通過《ISO 18184-2014紡織品抗病毒活性測定》方法檢定了石墨烯錦綸面料對肺炎克雷伯菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌、甲型H1N1流感病毒的滅殺能力,結果如圖3所示,殺菌率均高于99.9%,病毒平均滅活對數值達到4.00,可達到國家衛生部《消毒技術規范》的消毒要求。石墨烯復合纖維不僅在抗菌抗病毒性能上可以和重金屬納米材料分庭抗禮,還不具有溶出性,這極大提升了紡織品本身的安全性和性能的持久性。此外,氧化石墨烯不僅在抗菌方面嶄露頭角,在遠紅外發射、負離子發生、紫外防護、抑塵螨、抗靜電等方面也天賦異稟,是目前最契合多功能紡織品的材料。相信在不遠的將來氧化石墨烯復合纖維產品可以廣泛應用于生活的各個場景中。

6 總結

石墨烯,自誕生以來就被冠以“材料之王”的美譽,從學術界的蓬勃發展來看,它的確有著無以倫比的魅力與潛力,但是石墨烯產品卻始終沒有進入普通大眾的視野。通過分析以往的抗菌抗病毒方案的優缺點,以及對比氧化石墨烯的抗菌抗病毒機理,不難發現氧化石墨烯具有性能持久、耐水洗、非溶出、抗菌抗病毒活性高、穩定性強等諸多優勢,是新一代抗菌添加劑的不二之選。在新冠病毒肆虐的當下,剛好為氧化石墨烯復合纖維的發展提供了契機,在未來的不斷開發和改進中能夠進一步提升氧化石墨烯的抗菌抗病毒性能,為應對公共醫療危機、保護人類生命安全提供保障。