揚(yáng)州大學(xué)涂育松/復(fù)旦大學(xué)譚硯文合作《AFM》：銅離子修飾石墨烯，抗菌活性提升220倍！

    抗菌藥物或抗生素在醫(yī)療保健和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖中的廣泛使用已導(dǎo)致環(huán)境中細(xì)菌耐藥性的出現(xiàn)和擴(kuò)散，這將對人類健康構(gòu)成一定的威脅。早在古代，銅就被認(rèn)為是良好的抗菌材料，其離子和絡(luò)合物具有廣譜抗菌、抗真菌和抗病毒活性。但是，過量的銅離子也具有一定毒性，會(huì)對環(huán)境，特別是對水生環(huán)境造成不利影響。因此，如何在選擇性增強(qiáng)抗菌活性的同時(shí)，.大程度降低其對環(huán)境的危害，是改善人類和動(dòng)物健康，并提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的一個(gè)至關(guān)重要的問題。

    揚(yáng)州大學(xué)涂育松教授、復(fù)旦大學(xué)譚硯文教授等人發(fā)現(xiàn)了通過Cu離子修飾的還原氧化石墨烯（rGO）能夠展示出選擇性的抗菌活性，而且修飾后的性能顯著高于本征rGO，比Cu離子高了兩個(gè)數(shù)量級，而且對哺乳動(dòng)物細(xì)胞沒有毒性。通過Cu離子和石墨烯π鍵之間的相互作用，rGO能夠有效的吸附Cu離子，導(dǎo)致周圍環(huán)境中Cu離子的濃度極低（小于0.5 μM）。同時(shí)修飾在rGO上的Cu帶正電荷，能夠和帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞很好的結(jié)合，從而選擇性地實(shí)現(xiàn)抗菌效應(yīng)。rGO能準(zhǔn)確、快速地傳遞Cu離子并將其組裝到細(xì)菌細(xì)胞上，導(dǎo)致Cu離子的價(jià)態(tài)由+2還原為+1，增強(qiáng)了抗菌性能。此外，這種rGO-Cu復(fù)合材料展現(xiàn)出殺藻活性，且不會(huì)對電中性的哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生毒性。該研究以題為“Remarkable Antibacterial Activity of Reduced Graphene Oxide Functionalized by Copper Ions”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【rGO-Cu的顯著抗菌活性】

    作者向硫酸銅溶液中添加了少量的rGO懸浮液（40 μg/mL rGO和100 μM CuSO4），菌落實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該復(fù)合溶液具有出色的抗菌活性（圖1A），而rGO自身幾乎不提供抗菌效果。因此，rGO-Cu復(fù)合溶液比rGO溶液本身具有更強(qiáng)的抗菌活性。此外，rGO-Cu復(fù)合材料的抗菌活性至少比溶液中周圍銅離子的抗菌活性高220倍，提高了兩個(gè)數(shù)量級（圖1B）。作者測量了殘留在溶液中的銅離子，發(fā)現(xiàn)周圍銅離子的濃度非常低，低于約0.5 μM，這表明rGO能夠強(qiáng)烈吸附銅離子并形成rGO-Cu復(fù)合材料，而不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

圖1 rGO-Cu的抗菌活性

【rGO-Cu的抗菌機(jī)制】

     為了深入了解其固有的抗菌機(jī)制，作者進(jìn)行了密度泛函理論（DFT）計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬。結(jié)果表明，rGO通過陽離子-π相互作用大量吸附銅離子，從而導(dǎo)致周圍銅的離子濃度極低（小于約0.5 μm），極大地降低了對環(huán)境的副作用。rGO上的這些銅離子帶正電，并與帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，從而能夠選擇性地實(shí)現(xiàn)抗菌活性。隨后作者結(jié)合場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和X射線光電子能譜儀（XPS）實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該基于陽離子-π相互作用的rGO的固有廣譜抗菌物理機(jī)制。對于銅離子，rGO不僅可以增強(qiáng)銅離子的快速傳遞并將其大量組裝到細(xì)菌細(xì)胞上，還可以將銅離子的價(jià)態(tài)從Cu2 +變?yōu)镃u +，從而大大增強(qiáng)了其抗菌活性。

圖2  rGO與銅離子及rGO-Cu之間的相互作用

圖3 rGO-Cu與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用

【rGO-Cu的殺藻活性和細(xì)胞毒性】

    除了殺菌活性，作者還驗(yàn)證了rGO-Cu的殺藻活性。雙乙酸熒光素（FDA）分析結(jié)果表明（圖4A），rGO幾乎沒有藻類殺滅活性。相比之下，rGO-Cu樣品中僅觀察到一個(gè)FDA染色的活細(xì)胞，這表明該復(fù)合物的殺藻活性比rGO本身強(qiáng)得多，并且約為周圍銅離子的26倍（圖4B）。對于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用而言，檢查rGO-Cu對哺乳動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞毒性至關(guān)重要。如圖4C、D所示，rGO、rGO-Cu對哺乳動(dòng)物細(xì)胞（人胚腎293T）均無細(xì)胞毒性。雖然有研究表明高濃度的銅離子（> 103 μM）能破壞哺乳動(dòng)物細(xì)胞，但在這項(xiàng)研究中，盡管由于rGO對銅離子的強(qiáng)烈吸附而使rGO-Cu上的局部銅離子濃度很高，由于哺乳動(dòng)物細(xì)胞通常是電中性的，rGO-Cu中的銅離子不會(huì)優(yōu)先遞送并組裝到哺乳動(dòng)物細(xì)胞上。

圖4 rGO-Cu的殺藻活性及其對哺乳動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞毒性

    總結(jié)：該研究報(bào)道的rGO-Cu復(fù)合材料充分利用了細(xì)胞之間的電荷差異，從而實(shí)現(xiàn)了顯著的選擇性抗菌活性，同時(shí)避免了環(huán)境危害，這為具備高效和選擇性抗菌活性的材料設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。此外，該rGO-Cu復(fù)合材料的抗菌和殺藻活性，及其固有的廣譜抗菌物理機(jī)制，使其有望成為新一代廉價(jià)、高效、廣譜、環(huán)保、易生產(chǎn)的抗菌試劑。