基于氧化石墨烯的纳米复合材料对大肠杆菌抑菌效果的Meta分析文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

氧化石墨烯的体外杀菌作用研究

摘要：石墨烯由于其热力学、电学和机械强度等方面的特性，在电子、物理、信息、能源和材料领域一直有广泛的应用前景。氧化石墨烯（graphene oxide, GO）作为石墨烯的衍生物，是一种尺寸可调节的新型纳米材料。GO有着独特的生物化学特性，近年来在抗菌方面的研究一直有被报道。其抗菌机理有很多不同版本的研究报道，但对于其真正的抗菌机理一直未被阐述清楚，且存在争议。本文回顾了近年对于GO抗菌机理的不同描述，包括机械包裹理论、边缘切割理论、氧化应激理论，并探讨了其对耐多药细菌铜绿假单胞菌的杀菌作用。

1.引言

石墨烯是碳原子 以 sp2 杂化形成的六角形蜂巢状二维纳米材料。英国 Manchester 大 学 的Novoselov 和 Geim等人通过微机械剥离法于 2004年首次获得单层石墨烯 [1]，它的厚度仅为 1 个碳原子，是世界上已知最薄的材料。氧化石墨烯作为石墨烯的衍生物，一般由石墨经强酸氧化制得。单层GO 表面含有大量 -OH 基团，而片层边缘处则有很多 -COOH 基团 [2]。GO 拥有的大量含氧活性基团使其水溶性和表面活性明显优于石墨烯，因此开拓了其在生物医学领域应用的优势 [3]。

作为一种尺寸可调的新型纳米材料，GO在抗菌方面的应用也日渐引起关注。2010 年由中国科学院上海应用物理所黄庆林课题组 [3] 首次提出 GO的抗菌作用。纳米型的抗菌材料一般是基于纳米材料本身的特性，如较大的比表面和较小的颗粒数，使得颗粒表面键态失调而出现很多活性中心，这些活性中心对氧原子、氧自由基有很强的吸附能力，从而达到抗菌目的。氧化石墨烯的抗菌机理报道一般归结于氧化石墨烯与细胞膜表面直接接触从而破坏、氧化内部代谢物质等原因。具体可以总结出几个理论：机械包裹理论、边缘切割理论、氧化应激理论。

2.氧化石墨烯抑菌机制

2.1机械包裹理论

Chen Juanni 等人 [4] 于 2014 年发表的一篇文献认为，氧化石墨烯的抗菌机理是来源于机械的包裹。他们认为，氧化石墨烯是通过包裹、缠绕住微生物，造成其膜电位的降低或电解质的泄漏从而达到抗菌的目的。在实验中，他们用了两种细菌病原体和两种真菌孢子与 GO 接触后，在扫描电镜（SEM）的检测下，发现这些细菌病原体都被 GO 包裹住或者刺到了，导致其细胞变得畸形，而几微米长的真菌孢子则被 GO 缠绕住了。于是他们假设 GO 对细菌病原体的抑制作用可能是来源于对其膜基质完整性的破坏，而这会表现在膜电位的改变上。为验证膜电位的改变，他们用流式细胞仪观测红绿荧光密度比的变化，结果发现在与不同浓度 GO 作用后，其密度比发生了很大变化，高浓度的GO 作用完后其密度比变化更明显，这表明 GO 确实破坏了细菌病原体的膜完整性。在对真菌孢子电解质量进行检测后发现，在 500mu;g·mL-1 的 GO 与真菌孢子作用 300min 后，50% 以上的电解质都泄漏出去了，而电解质是让真菌孢子发芽很重要的物质，所以这种泄漏会有效抑制其生长繁殖。在后期的研究中 [5] 他们发现，GO 确实是通过大面积薄尺寸的片层包裹并困住这些微生物，然后在 SEM 下发现它们最后都被聚集成块状。

2.2边缘切割理论

2010 年 Omid.Akahavan 等 人 [6] 发表的论文认为，氧化石墨烯对细菌的破坏是由于其锋利的边 缘 对 细 菌 进 行 物 理 切 割，破 坏 了 细 菌 的 细 胞膜从而达到抑菌作用。他们首先用电泳沉积法（Electrophoretic deposition，EFD）在基底上沉积 GO得到了氧化石墨烯纳米纸墙（GONWs），然后用肼蒸气还原得到了还原的氧化石墨烯纳米纸墙 GONWs、rGONWs，这 两 种 物 质 在 TEM 下，GONWs 表 现 出边缘有很多皱褶并且很多是垂直沉积在基底上的，而 rGONWs 则是很平坦的结构，没有太多突起结构。他们用滴加革兰氏阴性（G ）和革兰式阳性（G-）两种细菌于两种纸墙上的方式来实现细菌与GO/rGO 作用，结果表明，在适当的接触时间后，发现GONWs 有很强的抑菌率，而 rGONWs 则效果比较差，而且 G 的死亡率要比 G- 高出许多。因为 G-有外膜而 G 没有外膜，加上扫描电镜的结果，他们推测可能是 GO 锋利的边缘导致其对细菌细胞膜的破坏。于是他们通过 RNA 的流出量来检测细菌细胞膜的破坏程度，发现 RNA 的浓度在与 GONWs 和rGONWs 接触后的菌悬液中都是很高的，进一步证明 GO 是用其边缘对细菌细菌细胞膜的破坏来达到抑菌目的。Chen Juanni 等人 [7] 紧跟其后，在 2013年发表了一篇文章，也用类似的方法证明了 GO 对细胞膜物理破坏的作用，并且采用紫外（Ultra-violet, UV）的手段表征了细菌细胞的 DNA 和 RNA 流出物，其结果与 Akahavan 当初所发表的一致。破坏膜完整性这一机理的正确性。