石墨烯及其复合材料在抗菌方面应用研究进展

姜国飞， 刘 芳， 随林林， 王洪喜， 王永强， 赵朝成

(中国石油大学 化学工程学院， 山东 青岛 266580)

石墨烯及其复合材料在抗菌方面应用研究进展

姜国飞， 刘 芳， 随林林， 王洪喜， 王永强， 赵朝成

(中国石油大学 化学工程学院， 山东 青岛 266580)

作为一种新型碳纳米材料，石墨烯在诸多领域表现出了良好的适用性，得到了学术界及工业界的关注。在抗菌方面，石墨烯及其衍生物具有良好的抗菌性和生物相容性，同时也是抗菌活性物质的理想载体，利用石墨烯材料制备出的复合材料具有抗菌性能强、作用时间久、拉伸稳定性好、化学性质稳定等优点，可广泛应用于水处理、分离膜、医疗和制药领域。以近期文献为基础详细介绍了石墨烯抗菌机理及石墨烯复合材料在抗菌方面的应用，并阐述了石墨烯材料存在的生物安全性问题。

石墨烯； 复合材料； 抗菌； 生物安全

Abstract： As a new type of carbon nanomaterial, graphene has shown good applicability in many fields, attracting great attention in academic and industrial circles. In terms of antibacterial, graphene and its derivatives have good antibacterial and biocompatibility, and they also serve anideal carrier for antibacterial active substances. The composites prepared by graphene materials have many advantages, such as strong antibacterial property, long action time, good tensile stability, stable chemical property, etc., and they can be widely used in water treatment, separation membrane, medical treatment and pharmaceutical field. Based on the recent literature, we elaborated on the antibacterial mechanism of graphene and the application of graphene composites in antibacterial, and we evaluated the biosafety of graphene materials.

Keywords：graphene; composite; antibacterial; biosafety

近年来，利用纳米材料制备具有优异抗菌性和生物相容性的复合材料越来越吸引研究者们的兴趣，他们希望将其应用到生物传感器、生物医学装置、薄膜纤维伤口敷料以及水净化膜等方面，在保证其原有作用的同时赋予其优异的抗菌性能。这种兴趣最大化地激发了纳米材料的抗菌性能，并通过添加新物质等方式设计组成纳米复合材料以改善其抗菌性能(如提高抗菌率、提升使用寿命等)，设计的灵活性和适用性为大规模的制造提供了可能。

纳米复合材料是通过适当的制备方法，将纳米材料均匀地分散在基体材料中，形成单相含有纳米尺寸材料的复合体系，由此产生的材料结合了其成员的各种功能。其中基于碳的纳米材料，特别是石墨烯(Gr)、氧化石墨烯(GO)以及还原氧化石墨烯(rGO)，都具备良好的各项性能。近期的文献报道了石墨烯材料具有强抗菌性能[1-2]，利用石墨烯及其衍生物制备抗菌纳米复合材料具有广泛的应用前景。

1 石墨烯及其衍生物

2004年，英国研究者Geim和Novoselov等[3]通过机械剥离法首次制备了单层石墨烯。石墨烯是由单层碳原子之间依靠sp2杂化组成的具有六角形晶体结构的二维碳纳米材料，是构成碳纳米管、富勒烯、石墨等碳材料的基本结构，其单层厚度仅有0.335 nm。石墨烯按照层数的不同可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯(3～10层)及多层石墨烯(通常大于10层且厚度在10 nm以下)。石墨烯的制备方法一般有机械法、氧化石墨还原法、SiC外延法及气相沉积法(CVD)等[4-6]，制备方法示意图如图1所示。氧化石墨还原法是实验室制备石墨烯最常用的一种方法，分为氧化和还原2个步骤，氧化步骤首先利用低温反应使酸在石墨片层间插层，扩大层间距，随后中温反应对石墨片层进行深度氧化，最后利用高温反应使层间化合物水解，氧化完全的产物经过离心处理后即可得到棕黄色氧化石墨。氧化石墨经化学还原剂还原即可得到还原氧化石墨烯。

图1 石墨烯制备方法示意图[4-6]Fig.1 Schematic diagram of graphene preparation[4-6](a) Three-roll mechanical method; (b) Reduction of graphite oxide; (c) SiC epitaxial method; (d) CVD method

石墨烯衍生物包括多层石墨烯、单层石墨烯、氧化石墨烯与还原氧化石墨烯，其结构如图2所示。石墨烯材料导热和机械性能突出、电子传递性能和光学性能优异[7-8]，拥有高比表面积、优异的催化活性以及较好的抗菌活性。石墨烯材料在诸多领域(如场效应晶体管、太阳能电池、锂离子电池、超级电容器、传感器、用于难降解有机物去除的吸附剂等[9-12])均表现出了巨大的潜力，利用石墨烯制备新型纳米复合材料也得到了应用，如构建电化学器件、储能器件以及催化剂[13]等。近年研究表明，石墨烯材料与生物分子可以表现出独特的相互作用，如选择性吸附单链双链DNA分子、依靠疏水能力插入脂质双分子层、在铜离子存在下可以嵌入DNA分子等，在医学领域得到广泛应用，如固定化生物酶、细胞成像、药物运输及制备生物传感器等[14]。

图2 石墨烯及其衍生物Fig.2 The members of the graphene family materials(a) Few-layered grapheme; (b) Graphene nanosheet; (c) Graphene oxide; (d) Reduced grapheme

2 石墨烯抗菌机理的研究进展

抗菌性能作为石墨烯基本性能之一，近年来得到了众多研究者们的关注。Akhavan等[15]研究了氧化石墨烯和还原氧化石墨烯分别对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌活性。结果表明，还原氧化石墨烯及氧化石墨烯对以上2种菌都有着明显的抗生长性，且还原氧化石墨烯的毒性要大于氧化石墨烯，对金黄色葡萄球菌的抗菌能力要大于对大肠杆菌，通过进一步的研究还发现，还原氧化石墨烯在与细菌接触时片层边缘可以更好地进行电荷转移。研究者在测定细菌细胞质外流的基础上还发现了细菌灭活的一种有效机制，即细菌与石墨烯锋利的边缘接触时会引起细菌细胞膜的损伤，从而杀死细菌，由于大肠杆菌具有荚膜而金黄色葡萄球菌不具有荚膜，因而大肠杆菌对石墨烯衍生物的抵抗能力较强。Hu等[1]研究了氧化石墨烯对大肠杆菌的抗菌活性，发现当将大肠杆菌菌液分别置于20 μg/mL及85 μg/mL的氧化石墨烯分散液中2 h后，大肠杆菌的细胞代谢活性分别降低到70%和13%，同时研究者还证实，细菌细胞在与石墨烯衍生物接触时会产生细胞膜的损伤，并导致其失去完整性。Wang等[16]通过分子动力学模拟分析石墨烯切割作用，证实石墨烯可通过片层切割作用破坏磷脂双分子层。Pham等[17]发现石墨烯与细菌接触的方向角度会影响杀菌性能，当方向角度为37°时石墨烯仍可有效地杀死金黄色葡萄球菌与铜绿假单胞菌。Mangadlao等[18]通过研究发现，当利用LB膜技术将氧化石墨烯依靠物理切割所产生的杀菌性能屏蔽后，氧化石墨烯仍可杀死部分大肠杆菌，这项研究表明石墨烯除去物理切割，还有其他抗菌机理。

Liu等[2]比较了石墨、氧化石墨、氧化石墨烯及还原氧化石墨烯这4种石墨烯衍生物对大肠杆菌的抗菌活性。结果表明，当这4种石墨烯衍生物的质量浓度均为40 μg/mL时，氧化石墨烯分散液表现了最高的抗菌活性，接下来依次是还原氧化石墨烯、石墨及氧化石墨。通过对SEM照片(如图3所示)分析表明，石墨烯衍生物的抗菌性能是由于细菌与石墨烯片层直接接触，导致细菌细胞膜被破坏从而死亡，研究者还发现，在石墨烯衍生物作用后谷胱甘肽被氧化，但整个过程中活性氧含量并没有大幅提升，因此研究者认为，石墨烯衍生物的抗菌作用是由物理切割作用与非ROS依赖的氧化应激作用共同导致的，并提出了“三步”抗菌机理，首先细菌细胞与石墨烯基材料进行接触，随即石墨烯基材料利用锋利的片层破坏细菌细胞膜，最后通过氧化应激作用破坏或干扰细胞结构使细菌生理活动遭到破坏从而死亡。Krishnamoorthy等[19]的研究发现，石墨烯可以诱导增强脂质的过氧化作用，影响细菌细胞的生理功能，使细胞活性氧的含量提高，并将脂肪酸氧化，导致脂质过氧化物的生成，刺激自由基反应，使细胞膜遭到破坏后细胞死亡裂解。Gurunathan等[20]在研究石墨烯对绿脓杆菌的抗菌性能时发现，GO与rGO作用后的绿脓杆菌细胞内活性氧含量分别提升了3.8倍和2.7倍，这证明石墨烯可通过ROS依赖的氧化应激杀死细菌。Wang等[21]通过研究发现，氧化石墨烯对希瓦氏菌种缺乏抗菌性能，是由于希瓦氏菌种属于异化金属还原菌，可以将代谢产生的电子转移到外部电子受体，在希瓦氏菌细胞介导的微生物呼吸形成的环境下，氧化石墨烯可以被还原，间接证明了氧化石墨烯的抗菌性能与氧化应激能力有关。

图3 石墨烯材料作用大肠杆菌SEM照片[2]Fig.3 SEM micrograph of graphene materials on Escherichia coli[2](a), (b) Escherichia coli after incubation with saline solution for 2 h without graphene-based materials; (c), (d) Escherichia coli cells after incubation with GO dispersion (40 μg/mL) for 2 h; (e),(f) Escherichia coli cells after incubation with rGO dispersion (40 μg/mL) for 2 h

Akhavan等[22]在之前研究的基础上进一步研究发现，将氧化石墨烯纳米片与大肠杆菌混合培养48 h，氧化石墨烯的含氧官能团减少了60%，大部分氧化石墨烯被还原，这是由于厌氧条件下细菌细胞通过糖酵解反应生成葡萄糖将氧化石墨烯还原，证明了细菌有还原氧化石墨烯的能力。研究者将被细菌还原后的石墨烯从已经增殖的细菌表面剥离，发现这些石墨烯仍具有抗菌性能，证明石墨烯和氧化石墨烯纳米片可应用于超薄涂层中，即使在高度适合细菌增殖的环境中也可以发挥很好的抗菌性能。研究者还发现，氧化石墨烯可以很好地吸附在细菌表面，将细菌与其生活环境分离，减少细菌间的物质、信息交流，使细菌无法增殖。Liu等[23]的一项研究发现，氧化石墨烯的横向尺寸会对抗菌性能造成影响，较大的氧化石墨烯纳米片表现出更强的抗菌活性，仅作用1 h即可导致大多数细菌死亡，并且在相对较低质量浓度(<10 μg/mL)下也表现出较好的抗菌活性，而较小的氧化石墨烯纳米片则需要4 h，其抗菌活性随着浓度的增加而提高。在这项研究中研究者还发现，具有不同横向尺寸的氧化石墨烯纳米片对谷胱甘肽的氧化能力是相似的，这表明氧化石墨烯纳米片的抗菌性能并不单单由其氧化能力决定。研究者使用原子力显微镜观察氧化石墨烯纳米片作用后的细菌细胞发现，面积大的氧化石墨烯纳米片更容易覆盖细胞，细胞一旦被覆盖完全就无法增殖，导致在随后的菌落计数实验中会观察到细菌存活率下降，而面积较小的氧化石墨烯纳米片虽然也能吸附在细菌表面，但却不能有效地将细胞与环境隔离开，因此抗菌活性较低。

在上述的研究中都提到细菌与石墨烯接触时会引起细菌细胞膜的损伤，其中一部分研究者认为是依靠物理切割引起的，另一部分研究者认为引起细胞膜损伤的原因除了物理切割，还应有氧化应激作用，为了弄清楚石墨烯及衍生物与生物膜之间的相互作用，Li等[24]使用单层石墨烯进行石墨烯与细胞表层的接触实验，通过电子显微镜和荧光成像发现石墨烯可以插入到细胞膜内将磷脂抽离。Tu等[25]在研究中发现，石墨烯可以大规模地抽取细胞膜上的磷脂，破坏细胞膜从而使细菌死亡，抽离示意图如图4所示。

图4 石墨烯随时间抽取细胞膜磷脂图[25]Fig.4 Image that graphene extracts the cell membrane phospholipids over time[25](a) 8 ns; (b)100 ns; (c) 103 ns; (d) 108 ns; (e) 220 ns; (f) 500 ns

综上所述，对于石墨烯的抗菌机理，目前主要有这4种解释：(1)当细菌细胞与石墨烯及其衍生物接触时，石墨烯及其衍生物锋利的片层边缘会划伤细菌细胞膜，从而使细胞内容物流出，导致细菌死亡，石墨烯与细菌接触的方向角度会影响杀菌性能；(2)石墨烯及其衍生物可以通过氧化应激作用将谷胱甘肽氧化，使活性氧含量增高，并将脂肪酸氧化，导致脂质过氧化物的生成，刺激自由基反应，使生物膜遭到破坏后裂解死亡；(3)石墨烯及其衍生物可以吸附在细菌细胞表面并将其完全覆盖，从而使细胞与生存环境隔离开，阻止细菌增殖；(4)石墨烯及其衍生物在接触到细菌细胞膜后可以插入到磷脂双分子层中，并将磷脂分子抽离，从而破坏细胞膜结构使细菌死亡。

3 石墨烯复合材料在抗菌方面的应用

虽然石墨烯的抗菌性能已被报道，但在实际应用中还存在一系列的问题，如在电解液中存在时不稳定易团聚，团聚的石墨烯还有可能会成为细菌生物膜生长的基体等。随着纳米材料应用的日益广泛，许多纳米材料如Ag、ZnO、Cu、壳聚糖[26-28]等都表现出了优异的抗菌性能，但这些材料的生物相容性欠佳，因此研究者们将石墨烯及其衍生物与上述纳米材料进行复合使用，开发抗菌能力更强、稳定性更好及生物相容性更优的复合材料。

3.1石墨烯-Ag纳米复合材料

目前应用于抗菌方面的石墨烯基复合材料中，应用最多的是石墨烯-Ag复合材料。Liu等[29]通过简单的共混法制备出分散均匀的GO-Ag纳米复合材料，合成步骤如图5所示。当GO-Ag材料质量浓度为80 μg/mL时，对大肠杆菌的杀菌率可达99%，远高于单纯使用GO(10%)或Ag纳米粒子(86%)的杀菌率，这证明二者组成GO-Ag复合材料后在较低浓度下即可有较高的抗菌性能，原因是在GO-Ag复合材料中，由于GO具有较大的比表面积，Ag纳米颗粒很容易沉淀在GO表面，因此GO可以带着Ag很好地吸附在细菌表面，提高Ag与细菌接触的几率，从而大大提高了抗菌活性。

图5 GO-Ag纳米复合材料合成示意图[29]Fig.5 The synthesis of GO-Ag nanocomposites[29]

Das等[30]在研究中先使用NaBH4还原AgNO3得到Ag纳米粒子，再与GO复合而成的GO-Ag复合材料对铜绿假单胞菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌及金黄色葡萄球菌，均有优异的抗菌性能。不同浓度的AgNO3溶液制备出的Ag纳米粒子大小和形状不同，不同大小和形状的Ag纳米粒子制备出的GO-Ag复合材料的抗菌性能也不同，采用较高浓度AgNO3溶液制备出的GO-Ag复合材料表现出更高的抗菌活性。2年后，Das等[31]使用柠檬酸作为稳定剂控制Ag纳米粒子大小和形状，制备出了杀菌率可达100%的GO-Ag复合材料。研究者发现，GO-Ag 复合材料可以刺激细菌细胞膜，打破细胞渗透性从而使膜内成分泄漏，使细菌死亡。研究者还发现，GO-Ag复合材料的抗菌性能明显优于Ag纳米粒子，在面对金黄色葡萄球菌时可以提升65.15%的糖泄漏率及137%的蛋白质泄漏率，在面对枯草芽孢杆菌时可以提升32.69%的糖泄漏率及106.85%的蛋白质泄漏率。他们还发现，GO表面官能团的尺寸及密度也会影响复合材料的性能[32]。

其他研究者对石墨烯-Ag纳米复合材料的研究见表1。

图6 Ag/PVA/Gr复合材料与Ag/PVA复合材料抗菌效果对比图[33]Fig.6 Comparison on the antibacterial effect of Ag/PVA/Grcomposites and Ag/PVAcomposites[33]

CompositesTargetspeciesOptimalmassconcentration/(μg·mL-1)Ref.GO-IONPs-AgStaphylococcusaureus7.2[34]Escherichiacoli50[34]GO-AgPseudomonasaeruginosa2.5-5.0[35]Staphylococcusaureus14[36]Escherichiacoli4[36]Escherichiacoli3.2[40]Bacillussubtilis6.4[40]rGO-AgBacilluscereus0.04+30mgAg[37]Listonellaanguillarum0.08+30mgAg[37]Staphylococcusaureus0.16+30mgAg[37]Escherichiacoli0.16+30mgAg[37]Ag-HNTs-rGOEscherichiacoli2[38]Staphylococcusaureus2[38]Ag-PDA-GOEscherichiacoli25[39]

3.2石墨烯-金属氧化物复合材料

石墨烯-Ag复合材料表现出了优异的抗菌性能，但由于Ag价格偏高，因此研究者们对制备石墨烯-金属氧化物复合材料并用于抗菌领域进行了研究。Zhong等[41]在研究中首先以低成本高产率的溶液沉淀法制备了直径为15 nm的ZnO纳米颗粒，然后通过共价结合的方式制备出了ZnO-GO复合材料。研究者通过ZnO-GO复合材料作用大肠杆菌SEM照片(如图7所示)观察ZnO-GO复合材料对大肠杆菌的作用，发现细菌在接触ZnO-GO复合材料2 h后细胞膜遭到了严重的损害，在使用氧化剂感应荧光探针检测细菌被杀死后悬浮液内氧含量变化时，发现活性氧含量显著增加，因此分析ZnO-GO复合材料的抗菌机理是由于库仑力的吸引，锌离子可以与带负电的细菌细胞膜紧密结合，导致电子在ZnO与GO之间快速转移，GO表面氧吸收电子后可以形成各种活性氧，最终导致细胞膜脂质过氧化物的形成，从而破坏细菌表面，整个过程中ZnO与GO之间表现出了高度的协同作用，ZnO-GO复合材料抗菌性能远大于单独使用ZnO或GO，也证实了这一理论。

Chang等[42]将TiO2与磁性氧化石墨烯(mGO)利用超声分散制备mGO-TiO2复合材料，通过SEM和TEM表征发现，TiO2可以在mGO表面均匀分散，结合能力较强。在对大肠杆菌的抗菌实验中，mGO与TiO2表现出了优异的协同抗菌作用，当复合材料使用量为180 mg/L时，光照30 min细菌的失活率即可达到100%，这是其他光催化杀菌剂所达不到的，但可以与·OH反应的无机离子(如-HCO3-和HPO42-等)会严重影响复合材料的抗菌性能。mGO-TiO2复合材料的饱和磁化强度为3.38×104A/m，当外加磁场时，它可以迅速地从水溶液中分离，该复合材料制备简单、成本低、抗菌性能强，是很有潜力的水处理抗菌剂，在生物医学方面也可得到广泛的应用[43-45]。

图7 不同材料作用大肠杆菌的SEM照片[41]Fig.7 SEM micrograph of Escherichia coli withdifferent materials[41](a) Normal Escherichia coli cells; (b) ZnO;(c) GO; (d) ZnO/GO composites

Chella等[46]以MnFe2O4及Gr为原料，采用溶剂热法合成了MnFe2O4-Gr复合材料，当复合材料使用量为100 μg/mL、作用大肠杆菌2 h时，对大肠杆菌的杀菌率可达82%，对死亡的细菌细胞进行SEM观测发现，大肠杆菌细胞壁完全破裂且附着在复合材料表面，抗菌机理是复合材料含有高密度官能团，并且尺寸较小，有更多的机会可以与细菌细胞接触，导致细胞死亡沉积。研究者发现，该复合材料不仅有着良好的抗菌性能，对重金属离子Pb(Ⅱ)与Cd(Ⅱ)还有很好的吸附性能，因此该复合材料不仅可作为抗菌剂使用，还可作为吸附重金属离子的吸附剂使用。石墨烯材料与铁氧化物构成的复合材料可广泛应用于水质净化领域[47-48]。

3.3其他石墨烯基复合材料

溶菌酶(Lysozyme，Lyz)被认为是具有优良抗菌性能的生物抗菌剂，但由于游离酶化学性质不稳定、活性低而无法大量使用。Duan等[49]以GO及rGO为载体固定化溶菌酶，成功制备GO-Lyz及rGO-Ly复合材料，然后将固定化酶融入聚醚砜(PES)中通过相转化法制备GO-Ly超滤膜及rGO-Lyz 超滤膜，固定化原理如图8所示。通过表征发现，溶菌酶成功地固定在GO和rGO表面，GO-Lyz超滤膜及rGO-Lyz超滤膜的水通量、亲水性及机械强度相对于纯PES膜均得到了显著提升。在对大肠杆菌的抗菌实验中，GO-Ly超滤膜及rGO-Lyz超滤膜均表现出了优异的抗菌性能，最大抗菌率分别为95.0%和94.2%，因此采用石墨烯衍生物固定化溶菌酶可广泛用于制备抗菌膜。

图8 石墨烯固定化溶菌酶示意图[49]Fig.8 Schematic diagram of lysozyme immobilized on graphene[49]

壳聚糖(Chitosan，CS)具有优异的抗菌性能、生物相容性、生物降解能力及与金属结合的能力，但由于壳聚糖的机械强度较低，限制了壳聚糖的应用，而石墨烯具备的强机械强度和优良的热稳定性使石墨烯成为了增强壳聚糖性能的优异复合物。Lim等[50]以CS和GO为原料，采用水热法制备出了CS-rGO复合薄膜，表征发现，使用较大面积GO为原料所制得的CS-rGO复合薄膜拥有着更好的拉伸稳定性和热稳定性。在对复合材料的抗菌实验中发现，该复合材料在较低浓度下即可100%抑制细菌的生长，合成过程中氧化官能团的缺失使石墨烯片拥有更尖锐的边缘，这些尖锐的边缘使细菌受到第一次伤害，这些边缘还可以更好地与细菌细胞膜进行电荷转移，通过氧化应激进一步破坏细菌，即使面对耐药性最强的革兰氏阴性菌——拥有四层保护膜的铜绿假单胞菌，该复合材料也可以将其杀死。CS-rGO复合薄膜因具有优异的抗菌性能、拉伸稳定性及热稳定性，从而可以广泛地应用到水处理、分离膜、食品包装、黏合剂、组织工程、医疗和制药领域。

4 石墨烯的生物安全性

石墨烯材料在诸多领域均表现出了优异的性能，但随着石墨烯应用的日渐广泛，其生物安全性也越来越受到人们关注。近年研究发现，石墨烯及其衍生物对生物体有着不同程度的影响，Wu等[51]发现，氧化石墨烯可以与DNA发生络合反应，形成络合物后可以阻止DNA被酶解，对DNA起保护作用，但在金属Cu存在下氧化石墨烯会破坏DNA结构[52]。Zhao等[53]通过研究发现，石墨烯更容易与DNA中的A-T碱基对发生反应。Alwarappan等[54]发现，氧化石墨烯表面的官能团可以与酶的胺基残键结合，对酶进行修饰，使酶热稳定性及耐酸碱性能得到提升，这一特点使得石墨烯材料固定化生物酶成为可能，并可应用于生物传感器、污水处理及医疗领域。

石墨烯材料由于具有独特的结构，在与细胞进行相互作用时，可以影响细胞的运动、形态、增殖能力等一系列特性[55]，这种相互作用有些可以促进细胞的生长，但有些则会破坏细胞正常生理功能。Park等[56]发现，石墨烯材料具有很好的生物相容性，少突胶质细胞可以在rGO上保持原有形态并且正常生长繁殖。Wang等[14]发现，石墨烯材料对细胞的毒性与石墨烯浓度有关，当氧化石墨烯质量浓度高于50 μg/mL时，可以抑制成人纤维细胞生长；当其质量浓度低于20 μg/mL时，不表现细胞毒性。Chang等[57]发现，氧化石墨烯在较高浓度时，可以依靠氧化应激作用使细胞活性稍微降低，且细胞毒性随氧化石墨烯尺寸的减小而降低。Liao等[58]发现，石墨烯在与人体血红细胞接触时会产生强烈的相互作用，使细胞破裂，对人体健康构成了一定的威胁，且石墨烯停留时间较长，在血液中半衰期可达5.3 h，但石墨烯破坏细胞的机制还没有明确的解释。

Zhang等[59]使用放射性同位素标记氧化石墨烯，并将标记后的氧化石墨烯注入小鼠体内，发现氧化石墨烯主要集中在小鼠肺部，当氧化石墨烯质量分数大于10 mg/kg时，小鼠肺部出现明显病变。Li等[60]研究了石墨烯材料进入人体后的分布情况，发现石墨烯在较高浓度时，主要分布在人体肝脏中，其次是肺、脾、肾、胃、心，对人体健康造成影响，功能化的石墨烯能够更容易被组织器官吸收，因此氧化石墨烯进入人体的几率要大于石墨烯。Yang等[61]发现，受到石墨烯材料影响的组织器官在20 d后可以恢复原有健康，但氧化石墨烯直接进入肺部后可以引起肺的病变，这证明不同组织器官对石墨烯材料的抵抗能力不同。

石墨烯材料对生物体的影响具有两面性，如何突出石墨烯材料的正面效应，并有效地抑制石墨烯材料带来的负面效应，应是当下石墨烯材料应用发展亟需解决的一个问题。

5 结 论

(1)作为一种新兴抗菌碳纳米材料，石墨烯有着优异的抗菌性能，利用石墨烯材料制备出的复合材料拥有抗菌性能强、作用时间久、拉伸稳定性好、化学性质稳定等优点，可制备成超滤膜、抗菌涂层等进行应用。抗菌石墨烯复合材料在未来还可广泛应用于水处理、生物医疗器械、制药、食品包装等领域。

(2)目前石墨烯的抗菌机理主要有四方面：物理切割作用、氧化应激作用、隔离细菌作用、磷脂抽取作用。

(3)由于石墨烯制备方法的多种多样，所制备出的石墨烯尺寸、表面电荷、官能团也多种多样，这些因素均会影响石墨烯材料的抗菌性能。目前这些因素是如何影响石墨烯材料抗菌性能的并没有明确解释，对这一方面应有更深入的研究。生物安全性问题也是当前石墨烯材料所面临的重大问题之一，石墨烯材料对生物体内大分子、细胞、组织器官均有着不同程度的毒性，如何解决石墨烯材料所带来的负面效应对石墨烯材料的应用发展起着重要作用。

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ProgressintheApplicationofGrapheneandItsCompositesinAntibacterial

JIANG Guofei, LIU Fang, SUI Linlin, WANG Hongxi, WANG Yongqiang, ZHAO Chaocheng

(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580，China)

2016-10-21

中国石油大学(华东)研究生创新工程项目(YCX2017047)资助

姜国飞，男，硕士研究生，从事水污染控制及水资源回用研究

刘芳，女，教授，博士，从事水污染控制及水资源回用研究；Tel：0532-86984668；E-mail：liufangfw@163.com

1001-8719(2017)05-1017-12

X172

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.05.026