石墨烯/纳米银复合物抗菌性及其机制的同步辐射研究

At present, the resistance caused by the overuse of antibiotics has seriously threatened human health and safety. It is a hot topic to prepare the new antibacterial materials with broad-spectrum, low-resistance. Graphene and its complex have attracted more and more attention, owing to their strong antibacterial properties and good biocompatibility. In this project, we intend to synthesize Graphene@AgNPs complex via oxidation-reduction method, and explore their antibacterial activity and mechanism in vivo and in vitro. In vivo, we will study the antibacterial mechanism through the uptake, transport and distribution of Graphene@AgNPs complex in bacteria based on synchrotron radiation X-ray microscopy imaging techniques and high-resolution transmission electron microscopy, combination with physiological and biochemistry analysis and molecular biological results. In vitro, we plan to detect the stability of Graphene@AgNPs complex dispersed in different medium under different conditions, to study the interaction between Graphene@AgNPs complex and lipid. The results could supply the further explaination for the antibacterial mechanism of nanomaterials. The project is expected to further elucidate the antimicrobial mechanism of graphene, and provide the scientific basis for their production and application in practice. Additionally, the project will lay the foundation for the application of synchrotron radiation technology in biomedicine.

抗生素滥用诱发的耐药性严重威胁着人类健康和安全。因此，发现和制备具有广谱性、低耐药性的新型抗菌材料成为人们关注的热点。石墨烯及其复合物由于具有优异的抗菌性能和良好的生物相容性越来越受到人们青睐。基于此，本课题拟通过氧化还原方法制备石墨烯/纳米银复合材料，且从体内和体外两个水平研究其抗菌性能及其机制。体内研究，我们主要利用同步辐射X-ray显微成像技术和高分辨透射电子显微技术考察石墨烯/纳米银复合材料在细菌体内吸收、转运和分布，结合生理生化指标和分子生物学研究结果揭示石墨烯/纳米银复合材料的抗菌机制；体外研究，我们通过研究石墨烯/纳米银复合物在不同条件和介质中的稳定性以及其与磷脂双分子生物膜之间的相互作用，为阐述其抗菌机制提供丰富的证据。本项目的开展有望深入阐明石墨烯材料的抗菌机理，为石墨烯纳米抗菌材料在实际的生产和应用提供一定科学依据；同时，为同步辐射技术在生物医学中的应用奠定基础。

石墨烯及其复合材料由于具备优异的抗菌性能和良好的生物相容性受到越来越多的关注。本项目成功制备了石墨烯氧化物（GO）及其复合材料（GO-PEG-AgNPs, GO-AgNPs），系统研究了这些纳米材料的理化性质、抗菌性能及抗菌机制。同时，探索了同步X射线显微成像技术在界面性质以及纳米毒理学机制研究中的应用。课题取得的重要结果如下：1. 我们利用改性的Hummers’方法制备了单层GO片；实现了用氧化还原法或微波加热法制备GO-Ag复合材料。2. 基于GO的纳米材料（GO, GO-PEG, GO-PEG-Ag, GO-Ag）对细菌个体（浮游细菌）和群体（细菌菌膜）都有很好的抗菌性能。GO-PEG-Ag具有更好的生理介质稳定性，因而显示了最优的抗菌性能，是一种具广谱、持久长效抗菌性能的新型纳米复合材料。3. 高分辨显微成像技术和生化检测实验显示石墨烯基材料的抗菌性主要来自其对细菌细胞膜完整性的破坏，这种破坏是机械性损伤和氧化损伤协同所致。4. 同步辐射X射线成像技术实现了天然或人工的超疏水界面的空气层高分辨三维重构图像；分析了纳米材料在细胞、动植物体内的分布以及诱发的毒性，是深入研究纳米材料的生物效应的有力手段。.本项目的成果可为石墨烯基纳米材料在抗菌领域的广泛应用提供科学依据，也可为病原微生物诱发的感染治疗提供新思路。同时，我们将激光共聚焦显微成像、透射电子显微成像、同步辐射X射线成像等技术应用于纳米科技和生命科学的交叉领域，为深入理解纳米材料与生命体相互作用提供了精确定量和可视化的证据。