GO抗菌复合材料的抗菌机制与生物安全性研究进展

杨宇君，马榕阳，潘小曼，郑宇杉，赵舒欣，陈静晓，林于晴，邵龙泉，胡 琛

(1. 南方医科大学第一临床医学院，广东 广州 510515； 2. 南方医科大学南方医院口腔科，广东 广州 510515)

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)是一种由碳原子组成的具有单层结构的纳米材料，含有大量的氧键，包括碳原子六方网络上的羟基、环氧官能团，以及边缘的羧基。作为一种石墨烯的衍生材料，GO不仅表现出与石墨烯材料类似的优良理化、电学、光学、热学及机械性能，还因具有较高的比表面积和丰富的表面官能团而表现出较好的生物学性能。自发现以来，GO便成为生物医学诸多领域研究的热点，如抗菌材料、靶向治疗、药物传送、定位示踪等，但对GO自身抗菌性能的评价尚存在争议。部分学者提出，GO自身即具备良好的抗菌性能，并指出其抗菌机制可能与物理损伤(如机械切割、静电吸附作用)[1-2]或化学损伤(如氧化应激、脂质分解)[3-4]有关。而部分学者则对此持怀疑态度，认为GO自身抗菌性能较弱，且抗菌性能的发挥极易受环境的影响，如蛋白质环境会抑制其抗菌性[5]。

基于此，为进一步优化其抗菌性能，越来越多的学者尝试采用金属、金属氧化物和聚合物等对GO进行复合或改性，以获得抗菌性能更为稳定、优异的GO复合材料。研究[1，6-7]发现，相比于GO单相材料，GO复合材料不仅表现出更为稳定的抗菌性能，还可同时优化诸多相关性能，如电化学、力学、磁吸附和生物安全性能等。

GO复合材料特性优良，在生物医学领域具有较大的应用潜力。生物医学领域的任何一种新型抗菌材料，良好的生物安全性能是保证其安全应用的首要前提。因此，随着对GO复合材料抗菌性能研究的逐步深入，学者们对其生物安全性的关注度也日益提升。如何在保留GO原有优异理化性能的同时，获得兼备良好抗菌性能及生物安全性的复合材料，成为此领域现阶段研究的热点。本文将从抗菌机制及生物安全性两方面对GO抗菌复合材料的研究现状进行综述，以期为GO在抗菌领域的开发和应用提供参考。

1 GO复合材料在抗菌领域的应用

1.1 生物医学领域 近年来，GO复合材料被广泛用于骨组织工程材料、伤口敷料以及消毒灭菌剂等生物医学领域，具有巨大的开发潜力[8-11]。研究[12-13]发现，GO复合材料在具备抗菌性能的同时，还表现出优良的机械、屏障性能，以及渗透性和生物降解性。

骨移植术后相关细菌感染是骨科较为严重的术后并发症之一。为降低移植术后感染率，设计具有良好抗菌性能和成骨活性的骨移植材料对骨组织工程具有重要意义[11-12]。有学者[12]指出，仿生磷酸钙矿化-GO/壳聚糖(OCP-GO/CS)支架有望成为骨组织工程的理想材料，该支架不仅可促进骨髓基质细胞的增殖和分化，诱导骨组织再生，还可有效抑制大肠埃希菌和表皮葡萄球菌的生长，且生物相容性良好。ZnO/GO-COOH复合材料也被证实对变形链球菌具有抗菌作用，具有显著的成骨作用[13]。

某些GO复合材料如GO修饰电纺明胶纳米纤维[14]，可在持续发挥抗菌作用的同时，促进正常细胞(如L-929细胞)黏附生长及伤口愈合。GO复合材料被应用于伤口治疗过程中，并被认为是伤口敷料的理想材料之一[10]。GO的掺入可以明显提高传统敷料中纤维材料的抗菌性能和生物相容性[15]，且部分应用于伤口敷料的GO复合材料力学性能也得到了提升[14-15]。

GO复合材料，因其具多机制协同长效持续抗菌性能，也可作为医疗器械表面抗菌涂层材料。保持医疗器械的洁净在医疗过程中具有重要意义[16]，使用GO/Ag/胶原涂层[17]可在一定程度上抑制医院感染常见菌(如大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌)的生长繁殖和存活。此外，聚多巴胺/Ag3PO4/GO涂层也可被用于钛基金属移植材料的表面抑菌涂层，具有快速杀菌和持续抑菌的特点[6]。不同于一般抗菌剂，GO复合材料在控制耐药菌感染方面亦具有一定的潜力。有学者[18]通过对GO/酞菁化合物复合材料进行抗菌试验发现，该复合材料对多重耐药铜绿假单胞菌具有抑制作用，有望成为新型抗多重耐药菌的制剂。

1.2 其他领域 除了生物医学领域，具抗菌性能的GO复合材料也可被用于食品包装领域和水处理等工业领域。

在食品包装领域，选择具抗菌性能的材料具有重要意义。GO-TiO2-壳聚糖复合材料被用作食品包装材料时，不仅能有效抑制黑曲霉和枯草芽孢杆菌，还表现出良好的生物安全性[19]。同时，作为一种极具潜力的食品包装材料，具抗菌性能的GO复合材料还表现出良好的阻隔能力和力学性能[7, 20-21]。

在水净化领域，在较低pH值条件下，GO-Ag复合材料在水溶液中表现出较强的抗菌活性，且没有毒副产物的生成[22]；部分GO复合材料还具有光催化性，可进一步增强其水处理过程的杀菌效果[23]；GO复合材料还具耐腐蚀的性能，上述特点使GO复合材料具有应用于海洋工业领域的潜能[24]。

综上所述，GO自身是否具有稳定的、持续的抗菌性能尚存在争议，但GO复合材料的抗菌性能已被公认，且具有较强的可设计性和优良的复合性能，在诸多领域的应用均具有较大潜能。

2 GO复合材料的抗菌机制

将GO与其他组分进行复合，获得的GO复合材料往往可以表现出比单纯GO更为明显且稳定的抗菌性能[6]。目前，常用于GO复合改性的材料包括金属[3]和聚合物[25-26]等。不同于单相材料，复合材料的抗菌机制往往更为复杂：既要考虑各组分材料的单一抗菌机制，也要兼顾不同材料之间的协同机制。不同类别的GO复合材料的具体抗菌机制如下。

2.1 GO-金属或金属氧化物复合材料 目前，大部分关于GO-金属或GO-金属氧化物复合材料的抗菌研究均是通过引入自身抗菌性能较好的金属或金属氧化物成分与GO进行复合，协同增强复合材料的抗菌性能，其中以金属银与GO进行的复合改性最为常见。对GO-纳米银(AgNPs)复合材料抗菌机制的研究发现，GO可以克服AgNPs易团聚的缺点，从而提高AgNPs的抗菌性能[3, 22]。上述复合材料中发挥主要抗菌作用的AgNPs成分，可通过以下多种机制[3, 11, 22, 27]引起细菌死亡：(1)释放Ag+诱导氧化应激引起细菌损伤；(2)AgNPs直接与蛋白质、脂类、酶、DNA结合；(3)AgNPs中断细菌呼吸功能。

在其他GO-金属氧化物复合材料的研究中也发现与上述相似的抗菌机制。以GO-氧化锌(ZnO)复合材料为例，一方面，复合材料中的GO可以防止ZnO团聚，使ZnO均匀分散在表面，从而增加ZnO与细菌之间的接触面积[6]；另一方面，复合材料中的Zn2+通过吸附于GO表面，可通过缓释实现长效抗菌[6, 28]。复合材料中的Zn2+主要通过与细胞表面含硫醇基(SH)的蛋白质和酶结合，最终导致细胞膜破裂[29]。上述复合材料中GO对金属组分抗菌性能的强化作用，主要体现在GO对金属的稳定作用和实现金属离子的缓释[30]。GO和金属/金属氧化物成分复合后，可进一步诱导活性氧自由基(ROS)的产生，氧化应激作用明显增强[31]。

2.2 GO-聚合物复合材料 与GO-金属或GO-金属氧化物复合材料的抗菌机制不同，GO-聚合物复合材料的抗菌机制主要可分为以下两种情况：较为多见的一种是聚合物自身不具有抗菌性，而GO是发挥抗菌作用的主体成分，引入的聚合物可以增强或协助GO自身抗菌性能的发挥。部分带正电荷的聚合物，如聚乙烯亚胺、聚六亚甲基盐酸胍(PHGC)等与GO复合后[26，32]，可使GO复合材料表面携带阳离子基团，增强复合材料对细菌的静电吸附作用。在壳聚糖(CS)、琼脂等其他聚合物与GO复合的研究[32-33]中，发现上述聚合物的存在能有效避免复合材料中GO的收缩与团聚，从而提高GO复合材料的抗菌性能。通过与GO成分复合，还可将部分聚合物在抗菌方面的劣势转变为优势，两者协同发挥抗菌作用。如聚醚(PLU)是一种增强碳纳米材料生物相容性的表面活性剂，其单独使用时，易包裹细菌膜形成高渗透压，对外界水冲击形成的低渗透压作用具有一定的抵抗性。引入GO成分复合形成纳米组装体后，PLU具有的强包覆能力反而有助于GO更好地在细菌膜周围定位，增强其抗菌作用[34]。另一种情况是将自身具有抗菌性能的聚合物(如季胺类聚合物)与GO复合，利用协同效应发挥更为优良的抗菌性能，此种情况与GO-金属或GO-金属氧化物复合材料的抗菌机制类似。对于季胺类聚合物-GO复合材料，一方面，季胺类聚合物可以防止GO聚合；另一方面，GO的引入使季铵类聚合物与细菌接触面积增大，有利于季铵类聚合物发挥更大的抗菌性，即改变细胞膜渗透性，导致细菌损伤；此外，季胺类聚合物-GO复合物还可通过产生ROS，导致细菌死亡[35- 36]。

3 具抗菌性能GO复合材料的生物安全性研究

学者们通过制备GO复合材料获得抗菌性能的同时，也往往会对抗菌浓度下复合材料的细胞毒性进行同期评价。其结果主要分为以下几种情况：(1)非GO组分自身生物安全性能良好，与GO复合后，复合材料的生物安全性进一步提高。此类研究多见于组织工程领域，如将GO与磺化聚醚醚酮(SPEEK)复合成GO-SPEEK，该复合材料抗菌性及生物相容性均良好，不仅具有促进MG-63细胞黏附和增殖的作用，还可刺激骨矿化。最重要的是，GO-SPEEK与SPEEK、GO对比，细胞毒性均明显下降[37]。组织再生材料领域的研究发现，葡聚糖醛交联GO-明胶(DA-GO-GEL)纳米纤维垫对L-929成纤维细胞具有良好的细胞相容性，而且GO的存在并不会对细胞产生任何毒性反应，反而有利于L-929细胞的黏附和增殖[14]。复合材料中的GO成分对细胞的增殖有一定的促进作用，可能是因为GO的引入增加了复合材料中含氧基团的数目，如醛基、羰基和羧基等[10, 38]。以复合物形式存在时，GO的毒性也会下降。在具抗菌性聚乙二醇官能化GO-富马酸丙烯酸酯复合材料(PEG-GO-PPF)的研究[5]中发现，在高浓度(50 mg/L)时，GO对正常人真皮成纤维细胞(NHDF)有明显的细胞毒性，而复合抗菌材料PEG-GO-PPF中GO含量达3.0%(wt)时，细胞活性仍保持在85%以上。此可能与GO分散性的改善及其表面上物理附着的生物聚合物的存在有关，如PEG可以改变GO的吸收机制，使其毒性更小。(2)非GO组分自身细胞毒性较强，与GO成分复合后，材料相比未复合前的单组份材料，细胞毒性明显下降。此类研究较多集中于GO-金属或GO-金属氧化物复合材料，GO被广泛应用于控制释放造成细胞破坏的金属离子。如金属银的细胞毒性较强，但其与GO复合后，细胞毒性得到有效抑制。Kulshrestha等[4]在成功制备具抗菌性能GO/银纳米复合材料(GO-Ag)的同时，采用MTT法测试其对Hek-293细胞株的影响，结果表明上述材料在抗菌浓度下对人类正常细胞系无毒。Shahmoradi等[15]采用WST试剂盒和L929成纤维细胞研究电纺聚己内酯/GO/银/精氨酸(PCL-GO-Ag-Arg)纳米复合材料的毒性作用，结果显示与PCL-Ag相比，不同浓度的PCL-GO-Ag-Arg均具有更好的生物相容性，且活/死染色试验结果与WST试验结果吻合。Wang等[39]研究发现GO-AgCl-Ag在高浓度下可杀灭金黄色葡萄球菌，进一步采用小鼠胚胎成纤维细胞(NIH-3T3细胞)和CCK-8试剂盒对复合材料的生物相容性进行评价，发现即使在高浓度下，细胞存活率仍保持在95%以上，可以安全应用于生物领域。GO-Fe3O4-NPVP(N-烷基化聚)-Ag纳米复合材料对NIH-3T3仅有轻微的细胞毒性作用，而其对照组(AgNPs组)的细胞数量明显减少，多数细胞形态严重受损[1]。对具抗菌性能的聚多巴胺/Ag3PO4/GO涂层(PDA-Ag3PO4-GO-Ti)复合材料进行的动物试验，发现其体内安全性能良好[9]。除了金属银，GO与其他金属如锌、铜等复合后也有类似作用[6, 13，40]。

诸如上述有关GO-金属或GO-金属氧化物复合材料的研究显示，GO是改良金属或金属氧化物类抗菌材料的理想选择，GO可通过控制金属离子的释放，提高其生物安全性。

4 结论与展望

GO复合材料作为一种具抗菌性能的材料，已被广泛应用于生物医学、食品包装及水净化等领域。通过合理的设计，大部分GO复合材料可在获得稳定抗菌性能的同时，亦表现出良好的生物安全性、力学性能。

尽管GO复合材料的抗菌性能已获得认可，但对于其抗菌性能的主要来源尚存在争议，且对GO复合材料抗菌机制的现有研究大部分集中于细胞层面，而对分子层面的机制多停留于推测，尚有待进一步深入研究。另外，虽有学者[4]指出，GO复合材料具有抗耐药菌及抗生物膜作用，但相关研究仍不够深入。

值得注意的是，虽然大部分研究指出，GO复合材料生物安全性较复合前的GO单相材料得到一定程度的改良[5, 34]，但亦有部分研究对其生物安全性持保留意见[41-42]。同时，现有对具抗菌性能GO复合材料的生物安全性研究多停留于体外试验阶段，少数涉及体内试验的文献亦存在动物模型单一，观察内容局限的问题。评价GO复合材料生物安全性能的影响因素较复杂，如复合材料浓度比，细胞及动物模型的选取[43-45]，给药作用方式[9]和外界环境[46]等，研究者应根据研究的具体目的，优选最为合适的试验方法。

综上所述，GO复合材料是一种极具潜力的新型抗菌材料，其开发及广泛应用有待进一步深入研究。