GO抗菌復合材料的抗菌機制與生物安全性研究進展

楊宇君，馬榕陽，潘小曼，鄭宇杉，趙舒欣，陳靜曉，林于晴，邵龍泉，胡 琛

(1. 南方醫科大學第一臨床醫學院，廣東 廣州 510515； 2. 南方醫科大學南方醫院口腔科，廣東 廣州 510515)

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)是一種由碳原子組成的具有單層結構的納米材料，含有大量的氧鍵，包括碳原子六方網絡上的羥基、環氧官能團，以及邊緣的羧基。作為一種石墨烯的衍生材料，GO不僅表現出與石墨烯材料類似的優良理化、電學、光學、熱學及機械性能，還因具有較高的比表面積和豐富的表面官能團而表現出較好的生物學性能。自發現以來，GO便成為生物醫學諸多領域研究的熱點，如抗菌材料、靶向治療、藥物傳送、定位示蹤等，但對GO自身抗菌性能的評價尚存在爭議。部分學者提出，GO自身即具備良好的抗菌性能，并指出其抗菌機制可能與物理損傷(如機械切割、靜電吸附作用)[1-2]或化學損傷(如氧化應激、脂質分解)[3-4]有關。而部分學者則對此持懷疑態度，認為GO自身抗菌性能較弱，且抗菌性能的發揮極易受環境的影響，如蛋白質環境會抑制其抗菌性[5]。

基于此，為進一步優化其抗菌性能，越來越多的學者嘗試采用金屬、金屬氧化物和聚合物等對GO進行復合或改性，以獲得抗菌性能更為穩定、優異的GO復合材料。研究[1，6-7]發現，相比于GO單相材料，GO復合材料不僅表現出更為穩定的抗菌性能，還可同時優化諸多相關性能，如電化學、力學、磁吸附和生物安全性能等。

GO復合材料特性優良，在生物醫學領域具有較大的應用潛力。生物醫學領域的任何一種新型抗菌材料，良好的生物安全性能是保證其安全應用的首要前提。因此，隨著對GO復合材料抗菌性能研究的逐步深入，學者們對其生物安全性的關注度也日益提升。如何在保留GO原有優異理化性能的同時，獲得兼備良好抗菌性能及生物安全性的復合材料，成為此領域現階段研究的熱點。本文將從抗菌機制及生物安全性兩方面對GO抗菌復合材料的研究現狀進行綜述，以期為GO在抗菌領域的開發和應用提供參考。

1 GO復合材料在抗菌領域的應用

1.1 生物醫學領域 近年來，GO復合材料被廣泛用于骨組織工程材料、傷口敷料以及消毒滅菌劑等生物醫學領域，具有巨大的開發潛力[8-11]。研究[12-13]發現，GO復合材料在具備抗菌性能的同時，還表現出優良的機械、屏障性能，以及滲透性和生物降解性。

骨移植術后相關細菌感染是骨科較為嚴重的術后并發癥之一。為降低移植術后感染率，設計具有良好抗菌性能和成骨活性的骨移植材料對骨組織工程具有重要意義[11-12]。有學者[12]指出，仿生磷酸鈣礦化-GO/殼聚糖(OCP-GO/CS)支架有望成為骨組織工程的理想材料，該支架不僅可促進骨髓基質細胞的增殖和分化，誘導骨組織再生，還可有效抑制大腸埃希菌和表皮葡萄球菌的生長，且生物相容性良好。ZnO/GO-COOH復合材料也被證實對變形鏈球菌具有抗菌作用，具有顯著的成骨作用[13]。

某些GO復合材料如GO修飾電紡明膠納米纖維[14]，可在持續發揮抗菌作用的同時，促進正常細胞(如L-929細胞)黏附生長及傷口愈合。GO復合材料被應用于傷口治療過程中，并被認為是傷口敷料的理想材料之一[10]。GO的摻入可以明顯提高傳統敷料中纖維材料的抗菌性能和生物相容性[15]，且部分應用于傷口敷料的GO復合材料力學性能也得到了提升[14-15]。

GO復合材料，因其具多機制協同長效持續抗菌性能，也可作為醫療器械表面抗菌涂層材料。保持醫療器械的潔凈在醫療過程中具有重要意義[16]，使用GO/Ag/膠原涂層[17]可在一定程度上抑制醫院感染常見菌(如大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌)的生長繁殖和存活。此外，聚多巴胺/Ag3PO4/GO涂層也可被用于鈦基金屬移植材料的表面抑菌涂層，具有快速殺菌和持續抑菌的特點[6]。不同于一般抗菌劑，GO復合材料在控制耐藥菌感染方面亦具有一定的潛力。有學者[18]通過對GO/酞菁化合物復合材料進行抗菌試驗發現，該復合材料對多重耐藥銅綠假單胞菌具有抑制作用，有望成為新型抗多重耐藥菌的制劑。

1.2 其他領域 除了生物醫學領域，具抗菌性能的GO復合材料也可被用于食品包裝領域和水處理等工業領域。

在食品包裝領域，選擇具抗菌性能的材料具有重要意義。GO-TiO2-殼聚糖復合材料被用作食品包裝材料時，不僅能有效抑制黑曲霉和枯草芽孢桿菌，還表現出良好的生物安全性[19]。同時，作為一種極具潛力的食品包裝材料，具抗菌性能的GO復合材料還表現出良好的阻隔能力和力學性能[7, 20-21]。

在水凈化領域，在較低pH值條件下，GO-Ag復合材料在水溶液中表現出較強的抗菌活性，且沒有毒副產物的生成[22]；部分GO復合材料還具有光催化性，可進一步增強其水處理過程的殺菌效果[23]；GO復合材料還具耐腐蝕的性能，上述特點使GO復合材料具有應用于海洋工業領域的潛能[24]。

綜上所述，GO自身是否具有穩定的、持續的抗菌性能尚存在爭議，但GO復合材料的抗菌性能已被公認，且具有較強的可設計性和優良的復合性能，在諸多領域的應用均具有較大潛能。

2 GO復合材料的抗菌機制

將GO與其他組分進行復合，獲得的GO復合材料往往可以表現出比單純GO更為明顯且穩定的抗菌性能[6]。目前，常用于GO復合改性的材料包括金屬[3]和聚合物[25-26]等。不同于單相材料，復合材料的抗菌機制往往更為復雜：既要考慮各組分材料的單一抗菌機制，也要兼顧不同材料之間的協同機制。不同類別的GO復合材料的具體抗菌機制如下。

2.1 GO-金屬或金屬氧化物復合材料 目前，大部分關于GO-金屬或GO-金屬氧化物復合材料的抗菌研究均是通過引入自身抗菌性能較好的金屬或金屬氧化物成分與GO進行復合，協同增強復合材料的抗菌性能，其中以金屬銀與GO進行的復合改性最為常見。對GO-納米銀(AgNPs)復合材料抗菌機制的研究發現，GO可以克服AgNPs易團聚的缺點，從而提高AgNPs的抗菌性能[3, 22]。上述復合材料中發揮主要抗菌作用的AgNPs成分，可通過以下多種機制[3, 11, 22, 27]引起細菌死亡：(1)釋放Ag+誘導氧化應激引起細菌損傷；(2)AgNPs直接與蛋白質、脂類、酶、DNA結合；(3)AgNPs中斷細菌呼吸功能。

在其他GO-金屬氧化物復合材料的研究中也發現與上述相似的抗菌機制。以GO-氧化鋅(ZnO)復合材料為例，一方面，復合材料中的GO可以防止ZnO團聚，使ZnO均勻分散在表面，從而增加ZnO與細菌之間的接觸面積[6]；另一方面，復合材料中的Zn2+通過吸附于GO表面，可通過緩釋實現長效抗菌[6, 28]。復合材料中的Zn2+主要通過與細胞表面含硫醇基(SH)的蛋白質和酶結合，最終導致細胞膜破裂[29]。上述復合材料中GO對金屬組分抗菌性能的強化作用，主要體現在GO對金屬的穩定作用和實現金屬離子的緩釋[30]。GO和金屬/金屬氧化物成分復合后，可進一步誘導活性氧自由基(ROS)的產生，氧化應激作用明顯增強[31]。

2.2 GO-聚合物復合材料 與GO-金屬或GO-金屬氧化物復合材料的抗菌機制不同，GO-聚合物復合材料的抗菌機制主要可分為以下兩種情況：較為多見的一種是聚合物自身不具有抗菌性，而GO是發揮抗菌作用的主體成分，引入的聚合物可以增強或協助GO自身抗菌性能的發揮。部分帶正電荷的聚合物，如聚乙烯亞胺、聚六亞甲基鹽酸胍(PHGC)等與GO復合后[26，32]，可使GO復合材料表面攜帶陽離子基團，增強復合材料對細菌的靜電吸附作用。在殼聚糖(CS)、瓊脂等其他聚合物與GO復合的研究[32-33]中，發現上述聚合物的存在能有效避免復合材料中GO的收縮與團聚，從而提高GO復合材料的抗菌性能。通過與GO成分復合，還可將部分聚合物在抗菌方面的劣勢轉變為優勢，兩者協同發揮抗菌作用。如聚醚(PLU)是一種增強碳納米材料生物相容性的表面活性劑，其單獨使用時，易包裹細菌膜形成高滲透壓，對外界水沖擊形成的低滲透壓作用具有一定的抵抗性。引入GO成分復合形成納米組裝體后，PLU具有的強包覆能力反而有助于GO更好地在細菌膜周圍定位，增強其抗菌作用[34]。另一種情況是將自身具有抗菌性能的聚合物(如季胺類聚合物)與GO復合，利用協同效應發揮更為優良的抗菌性能，此種情況與GO-金屬或GO-金屬氧化物復合材料的抗菌機制類似。對于季胺類聚合物-GO復合材料，一方面，季胺類聚合物可以防止GO聚合；另一方面，GO的引入使季銨類聚合物與細菌接觸面積增大，有利于季銨類聚合物發揮更大的抗菌性，即改變細胞膜滲透性，導致細菌損傷；此外，季胺類聚合物-GO復合物還可通過產生ROS，導致細菌死亡[35- 36]。

3 具抗菌性能GO復合材料的生物安全性研究

學者們通過制備GO復合材料獲得抗菌性能的同時，也往往會對抗菌濃度下復合材料的細胞毒性進行同期評價。其結果主要分為以下幾種情況：(1)非GO組分自身生物安全性能良好，與GO復合后，復合材料的生物安全性進一步提高。此類研究多見于組織工程領域，如將GO與磺化聚醚醚酮(SPEEK)復合成GO-SPEEK，該復合材料抗菌性及生物相容性均良好，不僅具有促進MG-63細胞黏附和增殖的作用，還可刺激骨礦化。最重要的是，GO-SPEEK與SPEEK、GO對比，細胞毒性均明顯下降[37]。組織再生材料領域的研究發現，葡聚糖醛交聯GO-明膠(DA-GO-GEL)納米纖維墊對L-929成纖維細胞具有良好的細胞相容性，而且GO的存在并不會對細胞產生任何毒性反應，反而有利于L-929細胞的黏附和增殖[14]。復合材料中的GO成分對細胞的增殖有一定的促進作用，可能是因為GO的引入增加了復合材料中含氧基團的數目，如醛基、羰基和羧基等[10, 38]。以復合物形式存在時，GO的毒性也會下降。在具抗菌性聚乙二醇官能化GO-富馬酸丙烯酸酯復合材料(PEG-GO-PPF)的研究[5]中發現，在高濃度(50 mg/L)時，GO對正常人真皮成纖維細胞(NHDF)有明顯的細胞毒性，而復合抗菌材料PEG-GO-PPF中GO含量達3.0%(wt)時，細胞活性仍保持在85%以上。此可能與GO分散性的改善及其表面上物理附著的生物聚合物的存在有關，如PEG可以改變GO的吸收機制，使其毒性更小。(2)非GO組分自身細胞毒性較強，與GO成分復合后，材料相比未復合前的單組份材料，細胞毒性明顯下降。此類研究較多集中于GO-金屬或GO-金屬氧化物復合材料，GO被廣泛應用于控制釋放造成細胞破壞的金屬離子。如金屬銀的細胞毒性較強，但其與GO復合后，細胞毒性得到有效抑制。Kulshrestha等[4]在成功制備具抗菌性能GO/銀納米復合材料(GO-Ag)的同時，采用MTT法測試其對Hek-293細胞株的影響，結果表明上述材料在抗菌濃度下對人類正常細胞系無毒。Shahmoradi等[15]采用WST試劑盒和L929成纖維細胞研究電紡聚己內酯/GO/銀/精氨酸(PCL-GO-Ag-Arg)納米復合材料的毒性作用，結果顯示與PCL-Ag相比，不同濃度的PCL-GO-Ag-Arg均具有更好的生物相容性，且活/死染色試驗結果與WST試驗結果吻合。Wang等[39]研究發現GO-AgCl-Ag在高濃度下可殺滅金黃色葡萄球菌，進一步采用小鼠胚胎成纖維細胞(NIH-3T3細胞)和CCK-8試劑盒對復合材料的生物相容性進行評價，發現即使在高濃度下，細胞存活率仍保持在95%以上，可以安全應用于生物領域。GO-Fe3O4-NPVP(N-烷基化聚)-Ag納米復合材料對NIH-3T3僅有輕微的細胞毒性作用，而其對照組(AgNPs組)的細胞數量明顯減少，多數細胞形態嚴重受損[1]。對具抗菌性能的聚多巴胺/Ag3PO4/GO涂層(PDA-Ag3PO4-GO-Ti)復合材料進行的動物試驗，發現其體內安全性能良好[9]。除了金屬銀，GO與其他金屬如鋅、銅等復合后也有類似作用[6, 13，40]。

諸如上述有關GO-金屬或GO-金屬氧化物復合材料的研究顯示，GO是改良金屬或金屬氧化物類抗菌材料的理想選擇，GO可通過控制金屬離子的釋放，提高其生物安全性。

4 結論與展望

GO復合材料作為一種具抗菌性能的材料，已被廣泛應用于生物醫學、食品包裝及水凈化等領域。通過合理的設計，大部分GO復合材料可在獲得穩定抗菌性能的同時，亦表現出良好的生物安全性、力學性能。

盡管GO復合材料的抗菌性能已獲得認可，但對于其抗菌性能的主要來源尚存在爭議，且對GO復合材料抗菌機制的現有研究大部分集中于細胞層面，而對分子層面的機制多停留于推測，尚有待進一步深入研究。另外，雖有學者[4]指出，GO復合材料具有抗耐藥菌及抗生物膜作用，但相關研究仍不夠深入。

值得注意的是，雖然大部分研究指出，GO復合材料生物安全性較復合前的GO單相材料得到一定程度的改良[5, 34]，但亦有部分研究對其生物安全性持保留意見[41-42]。同時，現有對具抗菌性能GO復合材料的生物安全性研究多停留于體外試驗階段，少數涉及體內試驗的文獻亦存在動物模型單一，觀察內容局限的問題。評價GO復合材料生物安全性能的影響因素較復雜，如復合材料濃度比，細胞及動物模型的選取[43-45]，給藥作用方式[9]和外界環境[46]等，研究者應根據研究的具體目的，優選最為合適的試驗方法。

綜上所述，GO復合材料是一種極具潛力的新型抗菌材料，其開發及廣泛應用有待進一步深入研究。