氧化石墨烯抗菌抗病毒机理简析

石墨烯主要的抗菌作用机制为通过物理破坏细胞膜、破坏脂质分子结构以及阻断细菌营养获取等多机制协同作用实现。

首先是使细菌沉积于石墨烯表面，然后依靠其锋利的边缘结构与细胞直接接触，产生强大的膜应力，最后产生氧化应激破坏细胞膜从而杀灭细菌。此外，胡叶双[1]在《氧化石墨烯复合材料的抗菌作用机制及安全性研究进展》也阐述了氧化石墨烯的物理抗菌机制。

文中指出，其抗菌作用包括三种:①锐边与病原菌直接接触;②病原菌细胞被包裹或包裹在内;③提取病原菌脂质。锐边与病原菌直接接触又称“插入作用模式”或“锐边介导插入”,即石墨烯及其衍生物利用其锐边作为“刀片”,切断病原菌细胞,造成细胞内物质泄露,导致细胞死亡。

学者Yusong Tu[2]在《Destructive extraction of phospholipids from Escherichia coli membranes by graphene nanosheets》一文中详述了石墨烯纳米片对大肠杆菌膜磷脂的破坏性提取过程。

文中指出，在培育大肠杆菌过程中，可观察到大肠杆菌细胞形态大致经历的三个阶段（阶段I、II、III）。初期（阶段I），大肠杆菌能在短时间内耐受氧化石墨烯纳米片，为大肠杆菌的初始形态（对照组，阶段I）。阶段II时，大肠杆菌细胞膜出现局部损伤，部分细胞表面磷脂密度降低——即脂质分布变得稀疏但尚未形成明显裂口。最终阶段（阶段III），大肠杆菌细胞丧失结构完整性：细胞膜严重破损，部分细胞甚至完全缺失细胞质（形成"空巢"结构）。

暴露于氧化石墨烯纳米片的大肠杆菌的形态

此外纳米片会强力将磷脂分子从双层膜抽提到自身表面。这种破坏性提取不仅导致脂质稀疏化，更因石墨烯的强拖拽力引发膜变形，最终破坏膜完整性。

石墨烯纳米片插入和脂质提取

GO具有广谱的抗病毒作用。在抗病毒机理方面，GO独特的单层结构及负电荷有着至关重要的作用。一方面，GO会通过静电作用吸附病毒，带负电荷的GO在病毒进入细胞前有更多与病毒结合的机会，可以有效阻止病毒进攻人体细胞；另一方面，GO的片状结构所致的锋利边缘能破坏病毒结构，会使病毒的蛋白质外壳变裂，还会与病毒核酸结合，有效阻止其复制过程。

学者叶十一在《Antiviral Activity of Graphene Oxide: How Sharp Edged Structure and Charge Matter》文中就指出GO可能通过负电荷与病毒直接相互作用，利用边缘效应导致病毒因结构破坏而失活。作者将伪狂犬病病毒与GO孵育1小时后，部分包膜和刺突被破坏。又将猪流行性腹泻病毒与GO孵育1小时后，冠和包膜被破坏。这些结果表明GO可以直接与病毒颗粒相互作用并破坏其结构，导致病毒功能破坏。

文中又使用阳离子聚合物PDDA来测试GO的负电荷是否对其抗病毒活性负责，带正电的GO-PDDA没有表现出明显的抗病毒活性，表明电荷似乎对其抗病毒活性至关重要，研究表明带负电荷的GO更易在病毒入侵前通过静电作用与病毒结合，其单层结构会导致病毒结构损伤。文献中表明了氧化石墨烯可以使得病毒包膜被破坏，使其外壳产生裂痕。

综上所述，石墨烯及其衍生物确有明显的抗菌抗病毒作用，且内在机理较为明确。

GO的抗病毒活性的可能机制